Luận văn Ánh xạ đơn điệu và áp dụng vào các bài toán cân bằng kinh tế

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM -------- -------- NGÔ THỊ VIỆT HẰNG ÁNH XẠ ĐƠN ĐIỆU VÀ ÁP DỤNG VÀO CÁC BÀI TOÁN CÂN BẰNG KINH TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC THÁI NGUYÊN – 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM -------- -------- NGÔ THỊ VIỆT HẰNG ÁNH XẠ ĐƠN ĐIỆU VÀ ÁP DỤNG VÀO CÁC BÀI TOÁN CÂN BẰNG KINH TẾ Chuyên ngành: Giải tích Mã số: 60.46.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN VĂN QUÝ THÁI NGUYÊN – 2008 MỤC LỤC Mở đầu ....................................................................................................1 Chƣơng 1: TOÁN TỬ ĐƠN ĐIỆU TRONG KHÔNG GIAN HILBERT 1.1. Không gian Hilbert thực ......................................................................3 1.2. Tập lồi và hàm lồi ...............................................................................7 1.3. Toán tử đơn điệu .................................................................................14 1.3.1. Các định nghĩa về toán tử đơn điệu ...................................................15 13.2. Toán tử đơn điệu tuần hoàn ...............................................................19 1.3.3. Toán tử đơn điệu cực đại ..................................................................21 Chƣơng 2: BẤT ĐẲNG THỨC BIẾN PHÂN VỚI TOÁN TỬ ĐƠN ĐIỆU 2.1. Bất đẳng thức biến phân ......................................................................33 2.2. Bất đẳng thức biến phân với toán tử đơn điệu .......................................39 2.3. Bất đẳng thức biến phân với ánh xạ đa trị.............................................46 2.4. Bất đẳng thức biến phân và các bài toán liên quan ................................49 Chƣơng 3: MÔ HÌNH NASH – COURNOT VỚI TOÁN TỬ ĐƠN ĐIỆU 3.1. Phát biểu mô hình ...............................................................................55 3.2. Mô hình Nash – Cournot với bài toán cân bằng ....................................56 3.3. Mô hình Nash – Cournot với bài toán bất đẳng thức biến phân..............57 3.4. Mô hình Nash – Cournot với toán tử đơn điệu ......................................58 KẾT LUẬN ..............................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỞ ĐẦU Ánh xạ đơn điệu là một trong những lĩnh vực của giải tích hiện đại đã và đang được rất nhiều nhà toán học hàng đầu thế giới nghiên cứu. Đặc biệt phải kể đến như: R. T. Rockafellar, F. E. Browder, (Xem [5], [14]). Bên cạnh các kết quả đặc biệt có ý nghĩa về mặt lý thuyết, ánh xạ đơn điệu là một trong những công cụ được sử dụng nhiều và rất có hiệu quả trong lĩnh vực toán ứng dụng như lĩnh vực tối ưu hóa. Nó giúp ích cho việc chứng minh sự tồn tại và tính duy nhất nghiệm cho rất nhiều các lớp bài toán cân bằng, bài toán bất đẳng thức biến phân và bài toán tối ưu. Đề tài của bản luận văn này là nghiên cứu về toán tử đơn điệu trong không gian Hilbert thực và ứng dụng của nó trong việc khảo sát các bài toán bất đẳng thức biến phân và đặc biệt là mô hình kinh tế nổi tiếng Nash - Cournot. Vì thế, đây là một đề tài vừa có ý nghĩa về mặt lý thuyết, đồng thời vừa có ý nghĩa thực tiễn cao. Nội dung chính của bản luận văn là trình bày một cách hệ thống các kiến thức cơ sở có liên quan; khái niệm, tính chất và các điều kiện cho các toán tử đơn điệu; áp dụng toán tử đơn điệu trong bài toán bất đẳng thức biến phân và mô hình kinh tế Nash - Cournot. Ngoài phần mở đầu, kết luận và các tài liệu tham khảo, các kết quả nghiên cứu trong bản luận văn được trình bày thành ba chương với tiêu đề: Chương 1: Toán tử đơn điệu trong không gian Hilbert. Chương 2: Bất đẳng thức biến phân với toán tử đơn điệu. Chương 3: Mô hình Nash - Cournot với toán tử đơn điệu. Nội dung chính của các chương là: Chương 1: Trình bày một số kiến thức cơ sở về giải tích lồi phục vụ cho việc nghiên cứu toán tử đơn điệu. Sau đó, trình bày các khái niệm về toán tử đơn điệu, đơn điệu tuần hoàn và đơn điệu cực đại. Song song với các khái niệm này là một số kết quả về tính chất, điều kiện của toán tử đơn điệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 Chương 2: Trình bày về bài toán bất đẳng thức biến phân và các bài toán liên quan. Sau đó, trình bày một số kết quả về việc sử dụng toán tử đơn điệu trong việc chứng minh sự tồn tại và tính duy nhất nghiệm của bài toán bất đẳng thức biến phân. Chương 3: Trình bày về mô hình kinh tế Nash - Cournot trong lĩnh vực sản xuất kinh doanh. Sau đó, sử dụng toán tử đơn điệu để nghiên cứu về sự tồn tại và tính duy nhất nghiệm cho mô hình. Bản luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Để hoàn thành được bản luận văn này, trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Nguyễn Văn Quý, người thầy đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm và hoàn thiện bản luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo, các cô giáo trong trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, Viện Toán học Việt Nam, trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin cảm ơn tới cơ quan, gia đình và bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp. Thái Nguyên, tháng 09 năm 2008 Ngô Thị Việt Hằng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Chương 1 TOÁN TỬ ĐƠN ĐIỆU TRONG KHÔNG GIAN HILBERT Nội dung chính của chương bao gồm: một số kiến thức cơ sở về không gian Hilbert thực và giải tích lồi. Tiếp sau đó là các khái niệm về ánh xạ đơn điệu, đơn điệu tuần hoàn, đơn điệu cực đại. Đồng thời trình bày một số kết quả liên quan đến tính đơn điệu của các toán tử đơn trị và đa trị trong không gian Hilbert. 1.1. Không gian Hilbert thực Chúng ta bắt đầu từ không gian đơn giản nhất là không gian véc tơ tuyến tính trên trường số thực. Đó là một tập hợp khác rỗng X mà trên đó có trang bị hai phép toán: phép toán cộng hai véc tơ và phép toán nhân một số thực với một véc tơ: 1 2 1 2, , ; , , . x x X x x X x X x X R           Nếu trên X được trang bị một tô pô  là một họ các tập con của X thỏa mãn các tính chất: 1. ; X   ; 2. ,A B A B      ; 3.  t t t T A t T A       , ( T là tập chỉ số bất kỳ) thì X được gọi là không gian véc tơ tô pô và thường ký hiệu là  ,X  .  Nếu trên X được trang bị một metric ( . ) với các tính chất: 1. ( , ) 0, , ; ( , ) 0x y x y X x y x y     ; 2. ( , ) ( , ), ,x y y x x y X   ; 3. ( , ) ( , ) ( , ), , ,x y x z y z x y z X      thì X được gọi là không gian metric. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4  Nếu trên X được trang bị một chuẩn || , || với các tính chất: 1. || || 0, ; || || 0 0x x X x x      ; 2. || || | ||| ||, ,x x x X R     ; 3. || || || || || ||, ,x y x y x y X     thì X được gọi là một không gian định chuẩn. Định nghĩa 1.1. Cho X là một không gian tuyến tính thực. X được gọi là không gian tiền Hilbert nếu: với mọi ,x y H , xác định một số thực ký hiệu là ,x y gọi là tích vô hướng của ,x y X , thỏa mãn các tính chất sau: 1. , ,x y y x ; 2. , , ,x y z x z y z   ; 3. , , ,x y x y R    ; 4. , 0x x  nếu 0x  , , 0x x  nếu 0x  . Mệnh đề 1. 1 (Xem [4]). Mọi không gian tiền Hilbert X là không gian tuyến tính định chuẩn, với chuẩn được xác định: , ,x x x x X   . Định nghĩa 1.2. Cho X là một không gian định chuẩn. Dãy  nx X được gọi là dãy cơ bản trong X nếu : , lim 0n m m n x x    . Nếu trong X,, mọi dãy cơ bản đều hội tụ, tức là 0n mx x  kéo theo sự tồn tại 0x X sao cho 0nx x , thì X được gọi là không gian đủ. Định nghĩa 1.3. Không gian tiền Hilbert và đủ gọi là không gian Hilbert, trong luận văn này ta thống nhất ký hiệu H là một không gian Hilbert thực. Định nghĩa 1.4. Hai véc tơ ,x y H được gọi là hai véc tơ trực giao với nhau, kí hiệu là x y , nếu , 0x y  . Từ định nghĩa dễ dàng suy ra các tính chất đơn giản sau đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 1. 0 ,x x X   ; 2. x y y x   ; 3.  1 2 1 1 2 2, , ..., ...n n nx y y y x y y y       , *, , 1,2,...,in N R i n   ; 4. ,n nx y y y  khi n thì x y . Định nghĩa 1.5. Cho tập M H , phần bù trực giao của M , kí hiệu M  , là tập hợp sau:  : ,M x H x y y M      . Định lý 1.1 (Định lý F.Riesz). Với mỗi véc tơ a cố định thuộc không gian Hilbert H , hệ thức:   , .f x a x (1.1) Xác định một phiếm hàm tuyến tính liên tục  f x trên không gian H , với || || .f a (1.2) Ngược lại, bất kỳ phiếm hàm tuyến tính liên tục ( )f x nào trên không gian Hilbert H cũng đều có thể biểu diễn một cách duy nhất dưới dạng ( 1.1 ), trong đó a là một véc tơ của H thỏa mãn (1.2). Chứng minh. Phần thứ nhất của định lý, ta dễ chứng minh được vì   ,f x a x rõ ràng là một phiếm hàm tuyến tính và do :   , .f x a x a x   (1.3)   , .f a a a a a   (1.4) nên phiếm hàm đó giới nội và thỏa mãn (1.2). Để chứng minh phần ngược lại, ta xét một phiếm hàm tuyến tính liên tục ( )f x trên không gian Hilbert H . Tập hợp   : 0M x H f x   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 rõ ràng là một không gian con đóng của H . Nếu  0M   thì dựa vào cách phân tích x y z  với ,y M z M   , ta thấy rằng 0z  , cho nên     0f x f y  với mọi x H , do đó   0,f x x , nghĩa là ta có cách biểu diễn (1.1) với 0a  . Vậy chỉ còn phải xét trường hợp  0M   . Ta có  0 0f x  , nên véc tơ :  0 0 0 0 0 , f x a x x x   . Với mọi x H ,     00 f x y x x M f x    vì          0 0 0 f x f y f x f x f x    . Mà 0x M  , vậy 0, 0y x  , tức là        0 0 0 0 00 0 , , . 0 f x f x x x x x x x x f x f x     hay:    0 0 0 0 , , , f x f x x x a x x x   . Như vậy,  f x có dạng (1.2). Cách biểu diễn đó là duy nhất, vì nếu   ,f x a x thì ', 0a a x  , nghĩa là ' 0a a  . Cuối cùng do (1.3) và (1.4) nên phải có (1.2) như trên. Định lí được chứng minh.  Định lý vừa chứng minh cho phép lập một tương ứng một đối một giữa các phiếm hàm tuyến tính liên tục f trên H và các véc tơ a H . Tương ứng đó là một phép đẳng cự tuyến tính, cho nên nếu ta đồng nhất hóa phiếm hàm f với véc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 tơ a sinh ra nó thì ta có *H H , nghĩa là : không gian Hilbert trùng với không gian liên hợp của nó. Cho A là toán tử tuyến tính liên tục trong không gian Hilbert H . Với mỗi y H cố định ta xét phiếm hàm :f H R được xác định như sau:   , ,f x Ax y x H  . Dễ thấy f là phiếm hàm tuyến tính, liên tục trong H nên theo định lý 1.1 về dạng tổng quát của phiếm hàm tuyến tính liên tục, tồn tại duy nhất *y H để *, , ,Ax y x y x H   . Định nghĩa 1.6. Cho A là một toán tử trong không gian Hilbert H , ánh xạ * :A H H xác định như sau: * *,y H A y y   trong đó: * *, , ,Ax y x A y x y  khi đó *A được gọi là toán tử liên hợp của toán tử A . Nhận xét 1.1. Toán tử liên hợp *A nếu tồn tại là duy nhất. 1.2. Tập lồi và hàm lồi Định nghĩa 1.7. Tập D H được gọi là tập lồi nếu với mọi 1 2,x x D và mọi số thực 0 1  ta đều có:  1 21x x D    . Nhận xét 1.2. Theo định nghĩa, tập  được xem là tập lồi . Định nghĩa 1. 8. Tập K H được gọi là nón có đỉnh tại 0 nếu: , 0x K x K      . K H được gọi là nón có đỉnh tại 0x nếu 0K x là nón có đỉnh tại 0 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 Định nghĩa 1. 9. Nón K có đỉnh tại 0x được gọi là nón lồi nếu K là một tập lồi, có nghĩa là: , , , 0x y K x y K         . Định nghĩa 1. 10. Cho K  là tập lồi trong H và điểm x K , nón pháp tuyến của K tại x là một tập hợp được kí hiệu và xác định như sau:    * * * */ : , 0,N x K x H x x x x K      . Nhận xét 1. 3. (a) Khi  K x thì  /N x K H . (b)  /N x K là một nón lồi. Cho tập D H là tập lồi khác rỗng và hàm  :f D R   . Ta có các định nghĩa về các dạng hàm lồi sau: Định nghĩa 1.11. Hàm f được gọi là (i) Lồi trên D nếu với mọi 0 1, ,x y D    , ta có :         1 1f x y f x f y        ; (ii) Lồi chặt trên D nếu với  0,1  và , ,x y D x y   ta có:         1 1f x y f x f y       ; (iii) Lồi mạnh trên D nếu với  0, 1 , ,x y D    , tồn tại , 0R   , ta có            21 1 1 1 2 f x y f x f y x y             . Nhận xét 1.4. Từ định nghĩa 1.11 ta dễ thấy (ii)  (i), (iii)  (i). Định nghĩa 1.12. Hàm f được gọi là lõm trên D nếu f là hàm lồi trên D . Định nghĩa 1.13. Trên đồ thị (epigraph) của hàm f, ký hiệu là epif , được định nghĩa như sau :     , :epif x r D R f x r    . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Định nghĩa 1.14. Miền hữu hiệu(effective domain) của hàm f , ký hiệu là domf , được định nghĩa như sau :   :domf x D f x    . Định nghĩa 1.15. Hàm f được gọi là chính thường ( proper), nếu domf   và  f x   với mọi x D . Định nghĩa 1.16. Hàm f được gọi là đóng nếu epif là tập đóng trong H R . Định nghĩa 1.17. Với  f x   , hàm f được gọi là nửa liên tục dưới tại x nếu với mọi 0  , tồn tại lân cận x K của x sao cho :    ,f x f y y U    Với ( )f x   , hàm f được gọi là nửa liên tục dưới tại x nếu với mọi 0N  , tồn tại lân cận U của x sao cho :  f y N , y U  . Định nghĩa 1.18. Hàm f được gọi là nửa liên tục dưới trên H nếu f nửa liên tục dưới tại mọi x H . Định nghĩa 1.19. Với  f x   , hàm f được gọi là nửa liên tục trên tại x nếu với mọi 0  , tồn tại lân cận U của x sao cho :    f x f y  , y U  . Với ( )f x   , hàm f được gọi là nửa liên tục trên tại x nếu với mọi 0N  , tồn tại lân cận U của x sao cho :  f y N  , y U  . Định nghĩa 1.20. Hàm f được gọi là nửa liên tục trên trên H nếu f nửa liên tục trên tại mọi x H . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Nhận xét 1.5. Hàm f liên tục tại x H nếu và chỉ nếu f nửa liên tục trên và nửa liên tục dưới tại x . Định lí 1.2 (Xem [1]). Giả sử  :f H R   là hàm lồi chính thường trên H . Khi đó, các khẳng định sau là tương đương: (i) f bị chặn trên trong một lân cận của x H ; (ii) f liên tục tại x H ; (iii)  int epif  ; (iv)  int domf  và f liên tục trên  int domf  . Bây giờ, ta giả sử hàm  :f H R   . Định nghĩa 1.21. Cho hàm f xác định trên một lân cận của x H , hàm f được gọi là khả vi tại x , nếu tồn tại *x H sao cho:     *, lim 0 z x f z f x x z x z x      . Hàm f được gọi là hàm khả vi nếu nó khả vi tại mọi điểm x H . Nhận xét 1.6. Điểm *x nếu tồn tại sẽ duy nhất và được gọi là đạo hàm của hàm f tại x , thường kí hiệu là  f x hoặc  f x . Nhận xét 1.9. Giả sử  : nf R R   là hàm lồi, chính thường và x domf . Nếu f khả vi tại x thì với mọi ny R , 0y  , ta có :       0 , lim 0 f x y f x f x y y         và đạo hàm tại x theo phương y là :         0 , lim , f x y f x f x y f x y         , nên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11    , , 0 f x y f x y y     . Suy ra ( , ) ( ),f x y f x y   với mọi y . Lấy  1,2,...,iy e i n  là vectơ đơn vị thứ i của nR , ta có :     , /i if x e f x x    , 1,2,...,i n . Vậy      1 , / n i i i f x y y f x x      . Từ đó ta có hai mệnh đề sau : Mệnh đề 1.2 (Xem [2]). Giả sử  : nf R R   là hàm lồi , chính thường và x domf . Hàm f khả vi tại x khi và chỉ khi tồn tại * nx R sao cho  ' *, ,f x y x y với mọi y ,  intx domf và   *f x x  . Mệnh đề 1.3 (Xem [2]). Cho  : nf R R   là hàm khả vi và nD R . Khi đó , ba điều kiện sau là tương đương: (a)  là hệ số lồi của f trên D; (b)       2' , 2 f y f x f x y x x y       ; (c)     2 , 2 f y f x y x x y       . Định nghĩa 1.22. Giả sử f là hàm lồi trên H . Phiếm hàm * *x H được gọi là dưới gradient (subgradient) của hàm f tại x H nếu     *,f x f x x x x   , x H  . Định nghĩa 1.23. Tập tất cả dưới gradient của f tại x được gọi là dưới vi phân (subdifferential) của f tại x , ký hiệu là  f x , tức là :       * * *: , ,f x x H f x f x x x x x H        . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 Mệnh đề 1.4 . (Xem [1]). Giả sử f là hàm lồi chính thường trên H , x domf . Khi đó,  f x  khi và chỉ khi  , .f x nửa liên tục dưới tại 0 , trong đó  ,.f x là đạo hàm tại x theo phương bất kì của hàm f . Cho hàm f xác định trên tập Q H . Xét bài toán: (P)   min :f x x Q Định nghĩa 1.24. a) Điểm x Q được gọi là điểm chấp nhận được của bài toán (P) . b) Điểm x Q được gọi là nghiệm tối ưu địa phương của bài toán (P), nếu tồn tại một lân cận U của x sao cho:    f x f x , x Q U   . b) Điểm x Q được gọi là nghiệm tối ưu toàn cục của bài toán (P) nếu:    f x f x , x Q  . Nhận xét 1.8. Hiển nhiên điểm x Q là nghiệm tối ưu toàn cục của bài toán (P) thì x là nghiệm tối ưu địa phương của bài toán (P) . Nếu tập Q là một tập lồi và f là một hàm lồi trên Q thì bài toán (P) được gọi là một bài toán qui hoạch lồi. Nếu Q = H thì bài toán (P) được gọi là bài toán tối ưu không ràng buộc. Mệnh đề 1.5. (i) Nếu bài toán (P) là một bài toán qui hoạch lồi thì mọi nghiệm tối ưu địa phương đều là nghiệm tối ưu toàn cục. (ii) Giả sử trong bài toán (P) ta có Q = H và f là một hàm lồi. Để x là nghiệm tối ưu toàn cục của bài toán (P), điều kiện cần và đủ là :  0 f x . Chứng minh. (i) Giả sử x Q là nghiệm tối ưu địa phương của bài toán (P), theo định nghĩa, tồn tại lân cận U của điểm x sao cho: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 ( ) ( ),f x f x x Q U    . Trên Q ta lấy điểm x tùy ý, với 0  đủ nhỏ ta có: (1 )x x U    . Từ đó:  ( ) (1 ) ( ) (1 ) ( )f x f x x f x f x         hay: ( ) ( ) ( ) ( )f x f x f x f x   . Chứng tỏ x là nghiệm tối ưu toàn cục. (ii) x là nghiệm tối ưu toàn cục của (P)     f x f x x X        0 0, x x f x f x x X        0 f x  ( theo Định nghĩa 1.22). Mệnh đề được chứng minh.  Định nghĩa 1.25. Cho f là hàm xác định trên H , có domf   . Hàm liên hợp với hàm f , ký hiệu là *f , là một hàm xác định trên *H và được định nghĩa như sau:     * * *sup , x f x x x f x  . (Cận trên trong trường hợp này chỉ lấy theo x domf ). Ví dụ 1.1. Xét hàm    xf x e x R  , đây là hàm lồi chính thường đ