hướng dẫn đọc toàn văn báo cáo KQNC

!
!

Bạn muốn đọc nhanh
những thông tin cần thiết ?
Hy đọc qua Mục lục bên tay trái bạn trước khi
đọc báo cáo ( với Acrobat 4.0 trở lên, cho trỏ chuột vào
mỗi đề mục để đọc toàn bộ dòng bị che khuất )

! Chọn đề mục muốn đọc và nháy chuột vào đó
!
!

Bạn muốn phóng to hay thu nhỏ
trang báo cáo trên màn hình ?
Chọn, nháy chuột vào 1 trong 3 kích th
thưước
có sẵn trên thanh Menu

, hoặc

! Mở View trên thanh Menu, Chọn Zoom to
! Chọn tỷ lệ có sẵn trong hộp kích th
thưước
muốn,, Nhấn OK
hoặc tự điền tỷ lệ theo ý muốn

Chúc bạn hài lòng
với những thông tin đđưược cung cấp

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN THỊ THU THỦY

THÁI NGUYÊN - NĂM 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


Mục lục
Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Bảng ký hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1 Bất đẳng thức biến phân trong không gian Hilbert
1.1

Không gian Hilbert thực . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này được hoàn thành tại trường Đại học Khoa học - Đại
học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Thu Thủy.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn về sự tận tâm và nhiệt tình của Cô
trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận văn.
Trong quá trình học tập và làm luận văn, từ bài giảng của các Giáo
sư, Phó Giáo sư công tác tại Viện Toán học, Viện Công nghệ Thông
tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trường Đại học
Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, các Thầy Cô trong
Đại học Thái Nguyên, tác giả đã trau dồi thêm rất nhiều kiến thức
phục vụ cho việc nghiên cứu và công tác của bản thân. Tác giả xin
bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các Thầy Cô.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo,
Khoa Toán - Tin trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã
quan tâm và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập tại Trường.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, lãnh đạo đơn
vị công tác và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi khi học tập và nghiên cứu.
Tác giả

Nguyễn Đức Lợi

ii


phần trong của tập hợp C

∂C

biên của tập hợp C

D(F )

miền xác định của ánh xạ F

iii


Mở đầu
Bất đẳng thức biến phân được Stampacchia [7] đưa ra nghiên cứu
vào những năm đầu của thập kỷ 60 trong khi nghiên cứu bài toán biên
của phương trình đạo hàm riêng. Kể từ đó bất đẳng thức biến phân
và phương pháp giải bài toán này luôn là một đề tài thời sự, được
nhiều nhà toán học quan tâm nghiên cứu.
Bài toán bất đẳng thức biến phân trong không gian Hilbert H được
phát biểu như sau:
Tìm phần tử u∗ ∈ C sao cho :

F (u∗ ), v − u∗ ≥ 0,

∀v ∈ C, (1)

ở đây C là một tập con lồi, đóng, khác rỗng của H và F : C → H là
một ánh xạ phi tuyến. Bất đẳng thức biến phân (1) tương đương với

Nội dung của luận văn được trình bày trong hai chương. Chương 1
trình bày một số kiến thức cơ bản về không gian Hilbert thực và bài
toán bất đẳng thức biến phân trong không gian Hilbert cùng phương
pháp lai đường dốc nhất giải bài toán này.
Trong chương 2 trình bày hai phương pháp lặp xấp xỉ nghiệm bất
đẳng thức biến phân trên tập điểm bất động chung của một họ vô hạn
đếm được các ánh xạ không giãn trong không gian Hilbert.

2


Chương 1

Bất đẳng thức biến phân trong
không gian Hilbert
Chương này chúng tôi trình bày một số kiến thức và kết quả cơ bản
về không gian Hilbert thực, ánh xạ không giãn và bất đẳng thức biến
phân trong không gian Hilbert. Các kiến thức của chương này được
viết dựa trên các tài liệu [1], [2] và [7].
1.1

Không gian Hilbert thực

Định nghĩa 1.1. Không gian tuyến tính H xác định trên trường số
thực R được gọi là không gian tiền Hilbert nếu trong đó xác định một
hàm hai biến ·, · : H × H → R thỏa mãn các tính chất sau:
(i) x, x ≥ 0, ∀x ∈ H và x, x = 0 ⇔ x = 0;
(ii) x, y = y, x , ∀x, y ∈ H;
(iii) x + y, z = x, z + y, z , ∀x, y, z ∈ H;
(iv) αx, y = α x, y , ∀x, y ∈ H, ∀α ∈ R.


i=1

Hilbert với tích vô hướng
∞

x, y =

x i yi
i=1

trong đó x = (x1 , x2 , . . . ), y = (y1 , y2 , . . . ) là các dãy số thực trong l2 .
Bổ đề 1.1. Cho H là không gian Hilbert thực. Khi đó các biểu thức
sau đúng:
(i) ||tx + (1 − t)y||2 = t||x||2 + (1 − t)||y||2 − t(1 − t)||x − y||2 với
mọi x, y ∈ H và t ∈ [0, 1].
(ii) ||x + y||2 ≤ ||x||2 + 2 y, x + y với mọi x, y ∈ H.
Định nghĩa 1.3. Dãy {xn }∞
n=1 trong không gian Hilbert H được gọi
là hội tụ yếu đến phần tử x ∈ H nếu lim xn , y = x, y với mọi
n→∞

y ∈ H. Dãy

{xn }∞
n=1

Ký hiệu xn

được gọi là hội tụ mạnh nếu lim ||xn − x|| = 0.

5


cho
F (x) − F (y), x − y ≥ η||x − y||2 , ∀x, y ∈ C.
Định nghĩa 1.7. Cho H là không gian Hilbert thực, C ⊂ H là tập
lồi đóng, khác rỗng. Ánh xạ T : C → C được gọi là κ-giả co chặt nếu
tồn tại một hằng số κ ∈ [0, 1) sao cho
||T (x) − T (y)||2 ≤ ||x − y||2 + κ||(I − T )(x) − (I − T )(y)||2 , ∀x, y ∈ C,
ở đây I là toán tử đồng nhất trong không gian Hilbert H.
Trong định nghĩa này, nếu κ = 0 thì T là một ánh xạ không giãn.
Vì thế lớp các ánh xạ không giãn chứa trong lớp các ánh xạ κ-giả co
chặt.
Bổ đề 1.2. Cho H là không gian Hilbert thực, F : H → H là một ánh
xạ η-đơn điệu mạnh và L-liên tục Lipschitz, hằng số µ cố định thỏa
mãn 0 < µ < 2η/L2 . Khi đó I − µF là ánh xạ co với hằng số co 1 − τ ,
1
trong đó τ = µ(2η − µL2 ).
2
Bổ đề 1.3. Cho C là tập con lồi, đóng, khác rỗng của không gian
Hilbert thực H và T : C → C là ánh xạ không giãn. Nếu có một dãy
{xn } trong C sao cho xn

z và (I − T )xn → y, thì (I − T )z = y.

Bổ đề 1.4. Cho H là không gian Hilbert thực, dãy {xk } ⊂ H bị chặn.
Khi đó
∞

ωk xk

ωk . Từ Bổ
k=1

đề 1.1 (i), ta nhận được
∞

ωk xk

∞

m

2

k=m+1

k=1
m

k=1

2

ωk xk

ωk xk +

=

ωk xk


= ||Sm
k=1
m
2
= Sm

2
ωk ||xk ||2 /Sm − 1/Sm
k=1
m

1≤k
∞

F :=

Fix(Tk ).
k=1

Sự tồn tại duy nhất điểm bất động của ánh xạ không giãn trong
không gian Hilbert H được trình bày trong định lý sau đây:
7


Định lý 1.1. Cho C ⊂ H là tập con lồi, đóng, bị chặn, khác rỗng
trong không gian Hilbert H, T : C → C là một ánh xạ không giãn.
Khi đó, tồn tại duy nhất phần tử x¯ ∈ C sao cho T (¯
x) = x¯.
Mối liên hệ giữa tập điểm bất động của ánh xạ không giãn và tập
điểm bất động của ánh xạ giả co chặt được trình bày trong bổ đề sau.
Bổ đề 1.5. Giả sử T : H → H là một ánh xạ κ-giả co chặt, và α là
một hằng số thỏa mãn điều kiện κ ≤ α < 1. Đặt
Tα = αI + (1 − α)T,

(1.2)

khi đó Tα là ánh xạ không giãn và Fix(Tα ) = Fix(T ).
Bổ đề 1.6. Cho H là không gian Hilbert thực và Tk : H → H (k =
1, 2, . . . ) là một họ vô hạn đếm được các ánh xạ không giãn với F = ∅.
∞

∞

ωk Tk (y)
k=1

ωk (Tk (x) − Tk (y))

=
k=1
∞

ωk ||Tk (x) − Tk (y)||2

≤
k=1

≤ ||x − y||2
Suy ra, T là ánh xạ không giãn.
8

∀x, y ∈ H.

2


∞

Tiếp theo ta dễ thấy rằng F ⊂ Fix(

ωk Tk ). Bây giờ ta sẽ chứng

k=1


2

k=1
∞

ωk ||Tk (x) − Tk (u)||2 −

=
k=1
∞

1≤k
∞

ωk Tk , trong đó {ωk } ⊂ (0, 1) sao cho

Đặt T =
k=1

ωk = 1. Giả sử
k=1

n

n

ωk Tk /Sn ,

Ln =

ωk .

Sn =

(1.3)

k=1

k=1

Khi đó, Ln hội tụ đều tới T trên mỗi tập con bị chặn S của H.
Chứng minh. Để ý rằng vì S là tập bị chặn và Tk là các ánh xạ không

(1 − Sn )ωk Tk (x)/Sn +
k=1

ωk Tk (x)
k=n+1
∞

n

≤ (1 − Sn )/Sn

ωk ||Tk (x)|| +
k=1

ωk ||Tk (x)||
k=n+1

∞

≤ M (1 − Sn )/Sn + M

ωk .
k=n+1

∞

ωk → 0 khi n → ∞, suy ra

Để ý rằng (1 − Sn )/Sn → 0 và
k=n+1


được gọi là bài toán bất đẳng thức biến phân ( variational inequality
problem), ký hiệu là VI(F, C).
Tập nghiệm của bài toán (1.5) được ký hiệu là Sol(VI(F, C)).
Ví dụ 1.5. Cho f (x) là một hàm thực khả vi trên K = [a, b]. Bài
toán tìm x0 ∈ K sao cho
f (x0 ) = min f (x).
x∈K

tương đương với bài toán bất đẳng thức biến phân: Tìm x0 ∈ [a, b] sao
cho
f (x0 )(x − x0 ) ≥ 0, ∀x ∈ K.
11


Bổ đề 1.9. Giả sử C là một tập con lồi, đóng khác rỗng của không
gian Hilbert thực H, F : C → H là ánh xạ liên tục L-Lipschitz và
η-đơn điệu mạnh. Khi đó bất đẳng thức biến phân (1.5) có duy nhất
nghiệm.
Nhận xét 1.2. Phần tử x∗ ∈ int C là nghiệm của bài toán (1.5) khi
và chỉ khi F (x∗ ) = 0.
Chứng minh. (⇒) Giả sử x∗ ∈ Sol(VI(F, C))∩ intC. Chọn ε > 0 sao
cho B(x∗ , ε) ⊂ C, ở đây B(x∗ , ε) = {x ∈ C : ||x − x∗ || < ε}. Ta có
B(x∗ , ε) = x∗ + εB(0, 1). Thay x = x∗ + εv, v ∈ B(0, 1) vào bất đẳng
thức (1.5) ta được
ε F (x∗ ), v ≥ 0 ⇔ F (x∗ ), v ≥ 0 ∀v ∈ B(0, 1).
Thay v = −v ta được


 F (x∗ ), v ≥ 0;

. . . . Như phần Mở đầu đã đề cập đến, một trong những phương pháp
giải bất đẳng thức biến phân là dựa trên cách tiếp cận thông qua điểm
bất động. Nội dung của phương pháp này là đưa bất đẳng thức biến
phân về bài toán tìm điểm bất động của một ánh xạ nghiệm thích
hợp. Bài toán (1.5) tương đương với
x∗ = PC (x∗ − µF (x∗ )),

(1.7)

trong đó PC là phép chiếu mêtric từ H lên C và µ > 0 là hằng số. Nếu
F là ánh xạ η-đơn điệu mạnh, L-liên tục Lipschitz trên C và µ > 0
đủ nhỏ, thì ánh xạ được xác định bởi vế phải của (1.7) là ánh xạ co.
Do đó, nguyên lý ánh xạ co Banach bảo đảm rằng dãy lặp Picard
xn+1 = PC (xn − µF (xn ))
13


hội tụ mạnh tới nghiệm duy nhất của bài toán (1.5). Phương pháp
này được gọi là phương pháp chiếu. Phương pháp chiếu có ưu điểm
là tốc độ hội tụ nhanh. Tuy nhiên với phương pháp này thì việc tính
toán phép chiếu mêtric PC không dễ tính toán vì phụ thuộc vào độ sự
phức tạp của tập con lồi, đóng bất kỳ C. Để khắc phục khó khăn này,
Yamada đã đề xuất phương pháp lai đường dốc nhất (hybrid steepest
descent) vào năm 2001 để giải bất đẳng thức biến phân trên tập điểm
bất động của ánh xạ không giãn trong không gian Hilbert như sau:
Cho H là không gian Hilbert thực và T : H → H là một ánh xạ không
giãn sao cho C = Fix(T ) = ∅. Giả sử F : H → H là một ánh xạ η-đơn
2η
điệu mạnh và L-liên tục Lipchitz trên D(F ). Cho µ ∈ 0, 2 và
L


Chương 2

Phương pháp lặp xấp xỉ nghiệm
bất đẳng thức biến phân trong
không gian Hilbert
Chương này trình bày kết quả trong [6] về phương pháp lai đường
dốc nhất giải bất đẳng thức biến phân trên tập điểm bất động của
một họ vô hạn đếm được các ánh xạ không giãn trong không gian
Hilbert.
Cho H là một không gian Hilbert thực, {Tn }∞
n=1 : H → H là một
∞

họ vô hạn đếm được các ánh xạ không giãn. Đặt F =

Fix(Tn ).
n=1

Trong chương này ta xét bài toán V I(F, F):
Tìm phần tử x∗ ∈ F sao cho F (x∗ ), x − x∗ ≥ 0 ∀x ∈ F,

(2.1)

ở đây F : H → H là một ánh xạ η-đơn điệu mạnh và L-liên tục
Lipschitz. Theo Bổ đề 1.9, bất đẳng thức biến phân (2.1) có duy nhất
nghiệm.
Một số phương pháp lặp giải bài toán (2.1) thường dùng đến Wn ánh xạ xác định bởi các ánh xạ không giãn Tn , Tn−1 , . . . , T1 và các số
15


n ≥ 1,

và
xn = γn (I − λn F )xn + (1 − γn )Vn xn ,

n ≥ 1,

với việc sử dụng ánh xạ Vn xác định bởi
Vn = Vn1 , Vni = T i T i+1 . . . T n , T i = (1 − αi )I + αi Ti , i = 1, 2, . . . , n,
16


∞

với αi ∈ (0, 1) thỏa mãn

αi < ∞ đơn giản hơn ánh xạ Wn và chứng
i=0

minh được sự hội tụ mạnh của phương pháp. Chú ý rằng, ánh xạ Wn ,
cũng như ánh xạ Vn chứa nhiều tính toán phức tạp trên các ánh xạ Ti
và đòi hỏi quá trình tính toán lớn.
Trong [6], tác giả đã đưa ra một nghiên cứu mới, bằng việc sử dụng
ánh xạ Ln xác định bởi (1.3) trong Bổ đề 1.7 để tìm nghiệm của bất
đẳng thức biến phân đơn điệu, liên tục Lipchitz trên tập điểm bất
động chung của một họ vô hạn đếm được các ánh xạ không giãn trong
không gian Hilbert. Ánh xạ Ln đơn giản hơn ánh xạ Wn và Vn , không
chứa nhiều tính toán trên các ánh xạ Ti , có cấu trúc đơn giản hơn,
dễ thực thi hơn, đồng thời ta có thể sử dụng tính toán song song khi
dùng ánh xạ này.


Đặt

∞

T (x) =

ωn Tn (x)
n=1

∞

với {ωk } ⊂ (0, 1) sao cho

ωk = 1 và
k=1
n

Ln =

ωk Tk /Sn

n = 1, 2, . . .

k=1
n

trong đó Sn =

ωk . Theo Bổ đề 1.7, Ln hội tụ đều tới T trên mọi

18


2.2

Sự hội tụ mạnh

Trước hết ta nhắc lại bổ đề sau đây:
Bổ đề 2.1. Giả sử {αn } là dãy các số thực không âm thỏa mãn
αn+1 ≤ (1 − γn )αn + γn δn + σn ,

n = 0, 1, 2, . . .

(2.4)

∞
∞
trong đó {γn }∞
n=0 ⊂ (0, 1), {δn }n=0 và {σn }n=0 thỏa mãn các điều kiện:
∞

γn = ∞;

(i)
n=1

(ii) lim sup δn ≤ 0;
n→∞
∞


hội tụ mạnh tới nghiệm duy nhất của bài toán VI(F, F).
Chứng minh. Định lý được chứng minh theo ba bước.
Bước 1: Trước hết ta chỉ ra dãy {xn } bị chặn. Thật vậy, theo Bổ đề 1.2,
1
I − µF là ánh xạ co với hằng số co 1 − τ , trong đó τ = µ(2η − µL2 ).
2

19