Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Экстремальная задача на индексационных классах

КонтрольнаяПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Пусть Yn+2(1). Так как Yn+2(1)Yn+1(1), то Yn+1(1). Точка не может совпадать с левым концом отрезка Yn+1(1), так как в этом случае множества Yn+1(1) и Yn+2(1) совпадают, что невозможно. Так как Yn+1(1) и не совпадает с левым концом отрезка Yn+1(1), то 1(t)0 в некоторой окрестности точки. В этом случае полагаем. Доказательство. Пусть j, j. Обозначим через границы отрезка Xi (j). Определим a0… Читать ещё >

Экстремальная задача на индексационных классах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Глава 1. Неравенство Маркова на индексационных классах

§ 1. Экстремальная задача

§ 2. Свойства отображения

§ 3. Доказательство теоремы Глава 2. О чебышевской экстремальной задаче на [0,)

В работе вводится понятие индекса функции на [0,) относительно произвольного класса F функций на [0,), основанное на сравнении двух функций через количество перемен знака их разности. С помощью понятия индекса аксиоматически определяется индексационный класс F. На индексационных классах изучается конечная проблема моментов.

Определение 1. Скажем, что функция (t), tR1, имеет k строгих перемен знака, если существуют множества A12<�…k+1, такие, что а);

б) знаки функции (t) на множествах A1, A2, …, Ak+1 перемежаются.

Пусть f (t) и g (t) — функции на R1. Пишем, если функция =g-f имеет k-1 строгих перемен знака, причем на последнем множестве строгого знакопостоянства она отрицательна.

Нетрудно видеть, что отношение выполнено тогда и только тогда, когда а) не существует точки x1, …, xk (-1<�…k<) такие, что

(-1)k-i f (xi) > (-1)k-i g (xi), ;

б) существуют точки y1, …, yk (-1<�…k<) такие, что

(-1)k-i f (yi) > (-1)k-i g (yi), .

Пусть F — некоторый класс непрерывных слева функций на [0,) и f, g F.

Определение 2. Пишем, если для любой функции hF, hg, выполнено одно из отношений:, ,,. Пишем, если для любой функции hF, hf, выполнено одно из отношений:, , .

Функция f имеет индекс k- в F, если выполнено отношение и не выполнено. Функция g имеет индекс k+ в F, если выполнено и не выполнено .

Через Ik- (Ik+), k1, обозначим совокупность всех функций с индексом k- (k+) в F.

Пусть U — семейство функций на [0,).

Через FU обозначим множество функций fF, для которых интегралы

uU,

абсолютно сходятся.

В случае положим, fFU, AFU, :

Fi(A)={Fi(f): fA},

,

.

Множество называется моментным пространством класса F относительно системы функций .

Лемма 1. Пусть системы u1(t), …, un(t) и u1(t), …, un(t), un+1(t) образуют T+-системы на [0,) такие, что. Тогда отношение невозможно для и, если, то

.

Доказательство. Допустим, что, где kn, и A1, …, Ak — множества строгого знакопостоянства функции g — f. Для векторов рассмотрим матрицу

.

Так как

,

то есть

(1)

где di(-1)k-i, и di=0, для всех векторов .

Из (1) следует, что detH ()=0 для любых. С другой стороны, применив k раз теорему о среднем к H (), получим

(2)

где 01<2<�…<k<. Так как векторы линейно зависимы, то их можно дополнить до системы линейно независимых векторов. Из (2) получаем .

Пусть теперь и .

Так как

(3)

где di=(-1)n+1-i,, то

где H — матрица, записанная в (3) слева, — матрица, получаемая из H удалением (n+1)-ых строки и столбца. Применив теорему о среднем, получаем detH>0,. Вместе с равенством dn+1=1 это означает, что d>0.

Определение 3. Скажем, что последовательность {fi}i1 функций на [0,) относительно класса U слабо сходится к функции f, если

для всех uU.

Определение 4. Множество AFU назовем (k, U) окрестностью функции f в F, если fA и множество, А имеет вид, где V открыто, при, при .

Множество AFU назовем (k, U)-открытым, если каждая функция fA имеет (k, U) окрестность, состоящую из функций множества А.

Определение 5. Класс F непрерывных слева, неотрицательных функций на [0,) назовем нижним U-индексационным с дефектом n, если:

1. Класс F равномерно ограничен, то есть существует L>0, такое, что f (t)L при t0, fF;

2. ;

3. Множества Ik- (k-1, U) — открыты для всех k>n+1;

4. Из любой последовательности {fi}i1I-k+1 (k>n) такой, что

можно выделить подпоследовательность, слабо относительно класса U сходящуюся к некоторой функции .

Пусть система образует T+ — систему на [0,).

Рассмотрим систему функций, такую, что wi=ui для и — T+ — системы для mn (см. [1]).

Теорема 1. Пусть система образует T+ — систему на [0,), F-нижний W-индексационный с дефектом n класс функций на [0,). Тогда

.

Доказательство. Пусть. Согласно условию 2 определения индексационного класса, существует последовательность {fj}j1Ik- такая, что. Зафиксируем произвольное fl.

Если flIk-, где kn+1, то положим fl*=fl.

Пусть k>n+1 и ={} - (k-1, W) окрестность fl в Ik-.

Рассмотрим произвольные и. Допустим, что. Согласно лемме 1, отношения и невозможны для sk-1. Следовательно, и, что невозможно.

Таким образом, отображение непрерывно и взаимно однозначно. Из принципа инвариативности области (см. [3]) следует, что — открытое множество в Rk-1, содержащее .

Пусть, и — многочлен по системе, имеющий k-2 нулей x1, …, xk-2. Условие k-1=0 противоречит чебышевости системы. Положим k-1>0. Тогда (см. [5]) P (t)>0 при t>xk-2.

Имеем

где cli — i-ая компонента вектора, и, следовательно,

.

Так как константа К не зависит от f, то ml >-.

Кроме того, .

Возьмем последовательность, такую, что

Fk-1(flp)>Fk-1(flq)=ml при p

,

Рассмотрим произвольные flp и flq, где plp, flqIk-. Из леммы 1 получаем .

Так как, то найдется функция, такая, что Fk-1(fl')=ml.

Отношение fl'Ik- невозможно, в силу определения числа ml и принципа инвариативности области. Отношения fl'Im- для m

Продолжая таким образом, через k-n-2 шагов получим функцию, такую, что. Из условия следует утверждение теоремы 1.

Замечание 1. Класс F непрерывных слева, неотрицательных функций на [0,) назовем верхним U-индексационным с дефектом n, если:

1. Класс F равномерно ограничен;

2. ;

3. Множества Ik+ (k-1, U) — открыты для всех k>n+1;

4. Для k>n из любой последовательности {fi}i1Ik+ такой, что

,

можно выделить подпоследовательность, относительно класса U слабо сходящуюся к некоторой функции ;

5. Ik+FU для kn+1.

Теорема 2. Пусть система образует T+-систему на [0,), F-верхний W-индексационный с дефектом n класс функций на [0,). Тогда

.

Определение 6. Систему непрерывных на [0,) функций назовем T+1-системой, если она является T+-системой, и, кроме того, системы u1, …, ul-1, ul+1, …, un также являются T+-системами для .

Лемма 2. Пусть — T+1-система на [0,), функции f и g таковы, что

(-1)n-i Fi(f) (-1)n-i Fi(g), .

Тогда отношения, и, , невозможны.

Доказательство. Допустим, что имеет место отношение и 1pn.

Пусть x1, …, xp-1 (-1<�…p-1<) — точки перемен знака функции; xо=-, xn=;. Выберем точки xn-1n-2<�…pp-1 так, чтобы, ,. Рассмотрим систему равенств

(4)

где hi=1. Из условия следует, что hn=1. С другой стороны, из (4) получаем

где, А — матрица, записанная в (4) слева, Ani — матрица, получаемая из, А удалением i-ой строки и n-го столбца. Так как — T+1-система на [0,), то detA>0, detAni>0,. Следовательно, hn0. Получили противоречие.

Случай, , рассматривается аналогично.

Теорема 3. Пусть — T+1-система на [0,), F-нижний W-индексационный с дефектом n класс функций на [0,). Тогда

.

Доказательство. Пусть. Возьмем последовательность векторов так, чтобы при и

для, j1.

Согласно теореме 1, для любого найдется последовательность такая, что .

Существует j1, такое, что, где — какая-либо метрика в Rn, и

.

Выберем j2 так, чтобы и

.

Продолжая таким образом, получим последовательность такую, что и

(5)

Рассмотрим произвольные и. Отношения и для k>n невозможны, в силу условий .

Из неравенств (5), в силу леммы 2, имеем

т. е. существует функция такая, что. Включение противоречит условию, в силу принципа инвариативности области.

Из произвольности следует утверждение теоремы 2.

Глава 1 Неравенство Маркова на индексационных классах

§ 1 Экстремальная задача

Пусть — некоторый класс функций распределения (ФР) на [a, b], ;

<; (t) — (n+1) раз непрерывно дифференцируемая функция на [a, b], причем (k)(t)>0 для t[a, b] и; c1, …, cn — вещественные константы; [a, b].

Экстремальная задача. Найти супремум и инфимум интеграла

на множестве ФР из, удовлетворяющих ограничениям

.

Для классов o — всех ФР на [a, b] и ВL — ФР на [a, b], удовлетворяющих условию, -<, задача решена в.

Важность решение экстремальных задач на разных классах ФР обоснована, например, в [1 — 5].

Задача при b решена в для мажоризационных классов.

Анализ задачи на мажоризационных классах в общем случае наталкивается на трудности. Выход мы видим в рассмотрении классов с иной структурой — индексационных классов ФР.

Ниже предполагается, что — индексационный с дефектом n класс ФР на [a, b]. Определение индексационного с дефектом n класса приведено в. Индексационными являются многие важные классы ФР, например, o, BL, класс унимодальных ФР на [a, b] и др.

Обозначим (k A,): Ik+ (Ik-) -множество всех ФР из, имеющих индекс k+ (k-);; - пространство моментов порядка k;; ;, .

Основной результат работы содержится в утверждении.

Теорема. Пусть,. Тогда:

.

§ 2 Свойства отображения

Нам понадобятся два факта из.

1. Для любого существует и единственная ФР .

2. Если, то множество одноэлементно. Если, то существуют непрерывные, однопараметрические семейства (т. е. при и (значок обозначает слабую сходимость)) и ФР такие, что, , для и для .

Пусть и, где, a, b.

Функция непрерывна слева на [a, b] и (a)=0 для всех. Так как t>0 при t[a, b], то не убывает по .

Далее, из k при k следует. Следовательно, семейства распределений {} и {} непрерывны.

Определение 1. Функция f имеет на [a, b] m строгих перемен знака, если существуют множества B0(f)<�…m(f) (под X1) понимаем xj f (x)>0 (или (-1)j+1f (x)>0 при xBj(f), и f (x)=0 при .

Лемма 1. Для любого распределения () и для любого, , функция — (-) имеет либо n+1, либо n+2 строгих перемен знака на [a, b].

Доказательство. Предположим, что функция — имеет более n+2 строгих перемен знака. Тогда существуют a01<�…n+3b такие, что (-1)i [ -] > 0,. Кроме того, (a)=(a)=0. Следовательно, существуют точки y0[a, x0), y1[x0, x1), …, yn+3[xn+2, xn+3) такие, что функция (-1)i [t — (t)] возрастает в точке yi,, что противоречит условию .

Равенство запишем в виде

tci, ,

где, , с0 = 1.

Очевидно, что последовательности u0, …, uk,, образуют T+ — системы на [a, b]. Из условия (k)(t)>0 для t[a, b] и следует (см. [1]), что последовательностиu0, …,-uk, также образуют T+ — системы. Следовательно, выполнены условия мажоризационной теоремы (см. [4]) и функция — не может иметь n+1 строгих перемен знака.

Пусть функция f (t) имеет k строгих перемен знака на [a, b]. Наряду с множествами Bi(f) строгого знакопостоянства рассмотрим множества P0(f)=(-, infB1(f)], Pi(f)=[supBi-1(f), infBi+1(f)],

Pk(f)=[supBk-1(f), +).

Зафиксируем ФР. Рассмотрим два класса функций

{ - :[0,1]} и { - :[0,1]}.

Число (число) назовем: параметром первого типа, если функция () имеет n+2 строгих перемен знака (в этом случае на последнем множестве строго знакопостоянства функция () отрицательна (положительна)); параметром второго типа, если функция () имеет n+1 строгих перемен знака, причем на последнем множестве строгого знакопостоянства она отрицательна; параметром третьего типа, если функция () имеет n+1 перемен знака, причем на последнем множестве строгого знакопостоянства она положительна.

Каждому [0,1] ([0,1]) сопоставим набор из n+3 множеств X0(), …, Xn+2() (Y0(), …, Yn+2()) следующим образом. Если () есть:

параметр первого типа, то

Xi()=Pi(), (Yi()=Pi(),);

параметр второго типа, то

Xi()=Pi-1(),, X0()=(-, infB0()],

(Yi()=Pi(),, Yn+2()=(supBn+1(), +));

параметр третьего типа, то

Xi()=Pi(),, Xn+2()=[supBn+1(), +)),

(Yi()=Pi-1(),, Y0()=(-, infB0()]).

Таким образом:

(-1)n-i(t)0 при tIntXi(),, (1)

(-1)n-i(t)0 при tIntYi(), .

При этом ни для какого i не существует интервала X, для которого выполнено строгое включение XIntXi() и (-1)n-i(t)0 при tX. Ни для какого i не существует интервала YIntYi() и (-1)n-i(t)0 при tY.

Заметим также, что Xi(0)=Yi+1(0), Xi+1(1)=Yi(1).

Определение 2. Отображение Z (): [0, 1]Z ()R1 непрерывно, если из i0, xix0, где 0, i [0, 1], xiZ (i), i1, следует x0Z (0).

Лемма 2. Отображения Xi(), Yi(), непрерывны.

Доказательство. Пусть j, j. Обозначим через границы отрезка Xi(j). Определим a0=-. Возьмем произвольную точку a1 сгущения последовательности {a1(j)}j1. Пусть для удобства. Проделаем ту же операцию с последовательностями {ai(j)}j1, и {bi(j)}j1,. Положим bn+2=+.

Итак,

, (2)

причем -=a0

1b0a2b1…an+1bnan+2bn+1n+2=+.

Из (1) и (2) следует, что для .

(-1)n-i(t)0 (3)

при t (ai, bi), если aibi.

Из (3) и следует, что aibi,, так как в противном случае функция имело бы не более n строгих перемен знака, что противоречит лемме 1. Отсюда и из определения Xi() следует [ai, bi]Xi(),. Для любого i из xj[ai(j), bi(j)] и xjx0 вытекает, что x0[ai, bi]. Следовательно, x0Xi().

Непрерывность отображений Yi() доказывается аналогично.

§ 3 Доказательство теоремы

В случае утверждение теоремы очевидно.

Пусть .

Лемма 3. Для любого ФР и любой точки [a, b] существует ФР такая, что v(t)(t) (v(t)(t)) в некоторой окрестности точки .

Доказательство. Если не существует такого i, 0in+2, что n-1 четно и Yi(0), то в некоторой окрестности точки имеет место 00. В этом случае положим .

Пусть существует i такое, что n-i четно и Yi(0).

Случай I, in+2. a) Предположим, что Yi(1). Пусть. Согласно лемме 2, Yi(). В силу сделанного предположения, <1 и, следовательно, существует последовательность {j}j1 такая, что Yi(j) и j. Пусть для некоторого l не существует такого k, что n-k четно и Yk(l). Тогда в некоторой окрестности точки. В этом случае полагаем. Если же для всех j, j1, существует kj такие, что n-kj четны и, то существует m, mi, такое, что n-m четно и Ym(j) для бесконечного числа элементов последовательности {j}. По лемме 2 Ym(). Так как n-i и n-m четны, то mi-1, mi+1. Вместе с mi это противоречит включению Yi().

б) Предположим, что Yi(1)=Xi+1(1). Пусть inf{Xi+1()}. Согласно лемме 2, Xi+1(). Если, то Xi+1(0)=Yi+2(0). Это противоречит условию Xi+1(). Поэтому и дальнейшее рассмотрение аналогично приведенному в а).

Случай II, i=n+2. а) При Yn+2(1) доказательство аналогично доказательству пункта а) случая I.

б) Пусть Yn+2(1). Так как Yn+2(1)Yn+1(1), то Yn+1(1). Точка не может совпадать с левым концом отрезка Yn+1(1), так как в этом случае множества Yn+1(1) и Yn+2(1) совпадают, что невозможно. Так как Yn+1(1) и не совпадает с левым концом отрезка Yn+1(1), то 1(t)0 в некоторой окрестности точки. В этом случае полагаем .

Итак, доказано существование такой ФР, что — в некоторой окрестности точки. Случай — рассматривается аналогично.

Теорема следует из леммы 3 и утверждения:

() и (+0) достижимы. Докажем последнее.

Пусть d=(). Пусть последовательность ФР, i, такова, что. Выберем подпоследовательность последовательности {i}, слабо сходящуюся к некоторой ФР. Покажем, что d. Для произвольного >0 выберем < такое, что -< и — точка непрерывности. Существует номер N такой, что для любого j>N выполнено неравенство ()-()<, из которого следует, что () — ()<, j>N. Так как () (), то () — ()<, откуда следует (- d. Последнее неравенство влечет d.

Глава 2 О чебышевской экстремальной задаче на [0, )

В настоящей работе на конкретных классах функций распределения (ФР) даны два подхода к решению чебышевской экстремальной задачи на [0,).

Чебышевская экстремальная задача. Пусть — выпуклый класс ФР на [0,), системы u01 на [0,) функций образуют T+-системы на [0,).

Положим (1in,):

,

— моментное пространство класса относительно системы .

Пусть .

Найти, где .

10. Первый подход заключается в урезании справа класса в точке x>0, наложении условий, при которых задача на «урезанном» классе х решается, и в переносе предельным переходом x решения на класс .

Для любого x>0 введем подкласс класса: х={:x+0)=1}.

Очевидно, для любых x12

(1)

Предположим, что для любого x>0 х — индексационный с дефектом n класс ФР на [0, x] ([5]).

Примерами таких классов служат: класс всех ФР на [0,), класс ФР вогнутых на [0,), класс ФР на [0,), удовлетворяющих при 0×0 и т. д.

Перечисленные выше классы являются нижними индексационными ([2]), т. е. для них выполнено включение

(-замыкание множества XRn),

где Ii- — множество всех ФР, имеющих индекс i- в .

Кроме того, для этих классов справедливо включение, и следовательно,

(2)

Лемма 1. .

Доказательство. Пусть. Из выпуклости множества следует, что точка является внутренней точкой некоторого (n+1)-мерного симплекса, лежащего в, т. е. существуют векторы, и числа >0, …, n>0, n+1>0 такие, что .

Из (2) следует существование последовательностей, таких, что

.

Тогда для достаточно больших k выполнено равенство

где, .

Следовательно, .

Из леммы 1 следует, что для достаточно больших x. Так как класс x является индексационным на [0, x], то ([5])

где, () — ФР с нижним (верхним) индексом n+1 в классе x.

Так как ФР имеет индекс (n+1)- в и, то

.

Из (1) следует, что

.

Вид экстремальных ФР и для рассматриваемых классов имеется в.

20. Второй подход продемонстрируем на примере класса 0 всех ФР на

Лемма 2. Если u0, u1, …, un — T+-система на, то для всех i и j существуют пределы .

Доказательство. Из определения T+-системы следует, что для произвольных i, j и чисел функции uj(t) и uj(t)+uj(t) обращаются в нуль более, чем в n+1 точках.

Пусть х — наибольшее решение уравнения uj(t)=0. Рассмотрим уравнение

uj(t)+uj(t)=0, t>x. (3)

Уравнение (ui(t)0, t>x) имеет не более (n+1) решений на (x,) при любых .

Пусть, .

Допустим, что не существует, т. е. А

Введем последовательности {ti}i1, {i}i1, удовлетворяющие условиям:

а) tkk при k;

б), ;

в) t1<2<<�…m<m<�… .

Пусть c (A, B).

Из-за непрерывности функции на (x,) уравнение

имеет бесконечное множество решений на (x,).

Выберем 0j0n так, чтобы для всех и обозначим .

Пусть число t0 таково, что при t>t0.

Рассмотрим функцию

Пусть, , .

Легко видеть, что системы v0, v1, …, vn и v0, v1, …, vn, являются T+-системами на [0,).

Предположим, что эти системы являются T+-системами также на [0, ], т. е. для любых 0t01<�…n-1n<

,

где .

Через обозначим множество ФР 0, для которых интегралы, , абсолютно сходятся.

Пусть — моментное пространство класса относительно системы .

Рассмотрим класс непрерывных слева и неубывающих на [0,) функций .

Имеем, т. е. .

Заметим, что отображение является взаимно однозначным, причем .

Таким образом, — множество всех неубывающих, непрерывных слева функций ограниченной вариации на [0,).

Пусть .

Необходимо найти

. (4)

Из равенств (0U)

следует, что задача (4) эквивалентна следующей.

Найти

(5)

где — множество функций, удовлетворяющих равенствам

, .

Таким образом, задача в классе 0 сведена к задаче (5), решение которой приведено, например, в.

Именно для любого

где — ступенчатая функция, имеющая положительные скачки в точках при нечетном n и в точках при четном n, — ступенчатая функция, имеющая положительные скачки в точках при нечетном n и в точках при четном n.

Из приведенных выше рассуждений следует, что

где, ,

— величина скачка функции в точке .

Крейн М.Г., Нудельман А. А. Проблема моментов Маркова и экстремальные задачи. — Москва: Наука, 1973.

Таталян К. Р. Экстремальные задачи проблемы моментов на классах распределений. — Дисс. на соиск. ученой степени кандидата физ.-мат. наук. Москва, МИЭМ, 1988.

Карлин С., Стадден В. Чебышевские системы и их применение в анализе и статистике. — Москва: Наука, 1976.

Даниэлян Э.А., Таталян К. Р. О проблеме моментов на мажоризируемых классах. — Ереван: Межвуз. сб. научн. трудов «Прикладная математика», № 7, 1988.

Манукян В.Р. О проблеме моментов для индексационных классов распределений. — Ереван: ДАН РА, том XCI, № 4, 1990.

Показать весь текст
Заполнить форму текущей работой