Экстремальная задача на индексационных классах
Содержание
Введение
Глава 1. Неравенство Маркова на индексационных классах
§ 1. Экстремальная задача
§ 2. Свойства отображения
§ 3. Доказательство теоремы
Глава 2. О чебышевской экстремальной задаче на [0, )
Литература
Введение
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 A>1><A>2><…<A>k>>+1>, такие, что
а) ;
б) знаки функции (t) на множествах A>1>, A>2>, …, A>k>>+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 x>1>, …, x>k> (-<x>1><…<x>k><) такие, что
(-1)k-i f(x>i>) > (-1)k-i g(x>i>), ;
б) существуют точки y>1>, …, y>k> (-<y>1><…<y>k><) такие, что
(-1)k-i f(y>i>) > (-1)k-i g(y>i>), .
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 I>k>- (I>k>+), k1, обозначим совокупность всех функций с индексом k- (k+) в F.
Пусть U – семейство функций на [0, ).
Через F>U> обозначим множество функций fF, для которых интегралы
, uU,
абсолютно сходятся.
В случае положим , fF>U>, AF>U>, :
>>, F>i>(A)={F>i>(f): fA},
, ,
.
Множество называется моментным пространством класса F относительно системы функций .
Лемма 1. Пусть системы u>1>(t), …, u>n>(t) и u>1>(t), …, u>n>(t), u>n>>+1>(t) образуют T>+>-системы на [0, ) такие, что . Тогда отношение невозможно для и, если , то
.
Доказательство. Допустим, что , где kn, и A>1>, …, A>k> – множества строгого знакопостоянства функции g - f. Для векторов рассмотрим матрицу
.
Так как
, ,
то есть
, (1)
где d>i>(-1)k-i, и d>i>=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 0>1><>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 d>i>=(-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 d>n>>+1>=1 это означает, что d>0.
Определение 3. Скажем, что последовательность {f>i>}>i>>>>1> функций на [0, ) относительно класса U слабо сходится к функции f , если
для всех uU.
Определение 4. Множество AF>U> назовем (k, U) окрестностью функции f в F, если fA и множество А имеет вид , где V открыто, при , при .
Множество AF>U> 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 I>k>- (k-1, U) – открыты для всех k>n+1;
4. Из любой последовательности {f>i>}>i>>>>1>I->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 w>i>=u>i> 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 {f>j>}>j>>>>1>I>k>- такая, что . Зафиксируем произвольное f>l>.
Если f>l>I>k>-, где kn+1, то положим f>l>*=f>l>.
Пусть k>n+1 и ={} – (k-1, W) окрестность f>l> в I>k>-.
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 x>1>, …, x>k>>-2>. Условие >k>>-1>=0 противоречит чебышевости системы . Положим >k>>-1>>0. Тогда (см. [5]) P(t)>0 при t>x>k>>-2>.
Имеем
,
где c>l>i – i-ая компонента вектора , и, следовательно,
.
Так как константа К не зависит от f, то m>l>> >>-.
Кроме того, .
Возьмем последовательность , такую, что
F>k>>-1>(f>lp>)>F>k>>-1>(f>lq>)=m>l> при p<q и
,
Рассмотрим произвольные f>lp> и f>lq>, где p<q. Так как , то отношения и невозможны для sk-2. Отношения и невозможны, так как f>lp>, f>lq>I>k>-. Из леммы 1 получаем .
Так как , то найдется функция , такая, что F>k>>-1>(f>l>’)=m>l>.
Отношение f>l>’I>k>- невозможно, в силу определения числа m>l> и принципа инвариативности области. Отношения f>l>’I>m>- для m<k-1 невозможны, так как . Следовательно .
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 I>k>+ (k-1, U) – открыты для всех k>n+1;
4. Для k>n из любой последовательности {f>i>}>i>>>>1>I>k>+ такой, что
,
можно выделить подпоследовательность, относительно класса U слабо сходящуюся к некоторой функции ;
5. I>k>+F>U> 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 u>1>, …, u>l>>-1>, u>l>>+1>, …, u>n> также являются T>+>-системами для .
Лемма 2. Пусть - T>+>1-система на [0, ), функции f и g таковы, что
(-1)n-i F>i>(f) (-1)n-i F>i>(g), .
Тогда отношения , и , , невозможны.
Доказательство. Допустим, что имеет место отношение и 1pn.
Пусть x>1>, …, x>p>>-1> (-<x>1><…<x>p>>-1><) – точки перемен знака функции ; x>о>=-, x>n>=; . Выберем точки x>n>>-1><x>n>>-2><…<x>p><x>p>>-1> так, чтобы , , . Рассмотрим систему равенств
, (4)
где h>i>=1. Из условия следует, что h>n>=1. С другой стороны, из (4) получаем
,
где А – матрица, записанная в (4) слева, A>n>i – матрица, получаемая из А удалением i-ой строки и n-го столбца. Так как - T>+>1-система на [0, ), то detA>0, detA>n>i>0, . Следовательно, h>n>0. 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 j>1>, такое, что , где - какая-либо метрика в Rn, и
, .
Выберем j>2> 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], -<a<b<; (t) – (n+1) раз непрерывно дифференцируемая функция на [a, b], причем (k)(t)>0 для t[a, b] и ; c>1>, …, c>n> – 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 В>L> – ФР на [a, b], удовлетворяющих условию , -<x<y<, задача решена в [1].
Важность решение экстремальных задач на разных классах ФР обоснована, например, в [1 - 5].
Задача при b решена в [4] 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 [5]. Индексационными являются многие важные классы ФР, например, >o>, B>L>, класс унимодальных ФР на [a, b] и др.
Обозначим (k A, ): I>k>+ (I>k>-) –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 [6].
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 B>0>(f)<…<B>m>(f) (под X<Y (X, YR1) понимаем x<y для всех xX, yY) из [a, b] такие, что (-1)j f(x)>0 (или (-1)j+1f(x)>0 при xB>j>(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 a<x>0><x>1><…<x>n>>+3>b такие, что (-1)i [>>>> -] > 0, . Кроме того, >>(a)=(a)=0. Следовательно, существуют точки y>0>[a, x>0>), y>1>[x>0>, x>1>), …, y>n>>+3>[x>n>>+2>, x>n>>+3>) такие, что функция (-1)i [t - >>(t)] возрастает в точке y>i>, , что противоречит условию .
Равенство запишем в виде
>>tc>i>, ,
где , , с>0> = 1.
Очевидно, что последовательности u>0>, …, u>k>, , образуют T>+> - системы на [a, b]. Из условия (k)(t)>0 для t[a, b] и следует (см. [1]), что последовательности –u>0>, …,-u>k> , 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 B>i>(f) строгого знакопостоянства рассмотрим множества P>0>(f)=(-, infB>1>(f)], P>i>(f)=[supB>i>>-1>(f), infB>i>>+1>(f)],
, P>k>(f)=[supB>k>>-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 X>0>(), …, X>n>>+2>() (Y>0>(), …, Y>n>>+2>()) следующим образом. Если () есть:
параметр первого типа, то
X>i>()=P>i>(>>), (Y>i>()=P>i>(>>), );
параметр второго типа, то
X>i>()=P>i-1>(>>), , X>0>()=(-, infB>0>(>>)],
(Y>i>()=P>i>(>>), , Y>n+2>()=(supB>n+1>(>>), +));
параметр третьего типа, то
X>i>()=P>i>(>>), , X>n>>+2>()=[supB>n>>+1>(>>), +)),
(Y>i>()=P>i>>-1>(>>), , Y>0>()=(-, infB>0>(>>)]).
Таким образом:
(-1)n-i>>(t)0 при tIntX>i>(), , (1)
(-1)n-i>>(t)0 при tIntY>i>(), .
При этом ни для какого i не существует интервала X, для которого выполнено строгое включение XIntX>i>() и (-1)n-i>>(t)0 при tX. Ни для какого i не существует интервала YIntY>i>() и (-1)n-i>>(t)0 при tY.
Заметим также, что X>i>(0)=Y>i>>+1>(0), X>i>>+1>(1)=Y>i>(1).
Определение 2. Отображение Z(): [0, 1]Z()R1 непрерывно, если из >i>0, x>i>x0, где 0, >i> [0, 1], x>i>Z(>i>), i1, следует x0Z(0).
Лемма 2. Отображения X>i>(), Y>i>(), непрерывны.
Доказательство. Пусть >j>, j. Обозначим через границы отрезка X>i>(>j>). Определим a>0>=-. Возьмем произвольную точку a>1> сгущения последовательности {a>1>(j)}>j>>>>1>. Пусть для удобства . Проделаем ту же операцию с последовательностями {a>i>(j)}>j>>>>1>, и {b>i>(j)}>j>>>>1>, . Положим b>n+2>=+.
Итак,
, , (2)
причем -=a>0><a>1>b>0>a>2>b>1>…a>n+1>b>n>a>n+2>b>n+1><b>n+2>=+.
Из (1) и (2) следует, что для .
(-1)n-i>>(t)0 (3)
при t(a>i>, b>i>), если a>i>b>i>.
Из (3) и следует, что a>i>b>i>, , так как в противном случае функция >> имело бы не более n строгих перемен знака, что противоречит лемме 1. Отсюда и из определения X>i>() следует [a>i>, b>i>]X>i>(),. Для любого i из x>j>[a>i>(j), b>i>(j)] и x>j>x0 вытекает, что x0[a>i>, b>i>]. Следовательно, x0X>i>().
Непрерывность отображений Y>i>() 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 Y>i>(0), то в некоторой окрестности точки имеет место >0>0. В этом случае положим .
Пусть существует i такое, что n-i четно и Y>i>(0).
Случай I, in+2. a) Предположим, что Y>i>(1). Пусть . Согласно лемме 2, Y>i>(). В силу сделанного предположения, <1 и, следовательно, существует последовательность {>j>}>j>>>>1> такая, что Y>i>(>j>) и >j>. Пусть для некоторого >l> не существует такого k, что n-k четно и Y>k>(>l>). Тогда в некоторой окрестности точки . В этом случае полагаем . Если же для всех >j>, j1, существует k>j> такие, что n-k>j> четны и , то существует m, mi, такое, что n-m четно и Y>m>(>j>) для бесконечного числа элементов последовательности {>j>}. По лемме 2 Y>m>(). Так как n-i и n-m четны, то mi-1, mi+1. Вместе с mi это противоречит включению Y>i>().
б) Предположим, что Y>i>(1)=X>i>>+1>(1). Пусть inf{X>i>>+1>()}. Согласно лемме 2, X>i>>+1>(). Если , то X>i>>+1>(0)=Y>i>>+2>(0). Это противоречит условию X>i>>+1>(). Поэтому и дальнейшее рассмотрение аналогично приведенному в а).
Случай II, i=n+2. а) При Y>n>>+2>(1) доказательство аналогично доказательству пункта а) случая I.
б) Пусть Y>n>>+2>(1). Так как Y>n>>+2>(1)Y>n>>+1>(1), то Y>n>>+1>(1). Точка не может совпадать с левым концом отрезка Y>n>>+1>(1), так как в этом случае множества Y>n>>+1>(1) и Y>n>>+2>(1) совпадают, что невозможно. Так как Y>n>>+1>(1) и не совпадает с левым концом отрезка Y>n>>+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 u>0>1 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 x>1><x>2>
(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 0x<y< неравенству , L>0 и т. д.
Перечисленные выше классы являются нижними индексационными ([2]), т. е. для них выполнено включение
(-замыкание множества XRn),
где I>i>- - 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 [5].
20. Второй подход продемонстрируем на примере класса >0> всех ФР на
Лемма 2. Если u>0>, u>1>, …, u>n> – 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 u>j>(t) и u>j>(t)+u>j>(t) обращаются в нуль более, чем в n+1 точках.
Пусть х – наибольшее решение уравнения u>j>(t)=0. Рассмотрим уравнение
u>j>(t)+u>j>(t)=0, t>x. (3)
Уравнение (u>i>(t)0, t>x) имеет не более (n+1) решений на (x, ) при любых .
Пусть , .
Допустим, что не существует, т. е. А<B.
Введем последовательности {t>i>}>i>>>>1>, {>i>}>i>>>>1>, удовлетворяющие условиям:
а) t>k>>k> при k;
б) , ;
в) t>1><>><t>2><>><…<t>m><>m><… .
Пусть c(A, B).
Из-за непрерывности функции на (x, ) уравнение
имеет бесконечное множество решений на (x, ).
Выберем 0j>0>n так, чтобы для всех и обозначим .
Пусть число t>0> таково, что при t>t>0>.
Рассмотрим функцию
Пусть , , .
Легко видеть, что системы v>0>, v>1>, …, v>n> и v>0>, v>1>, …, v>n>, являются T>+>-системами на [0, ).
Предположим, что эти системы являются T>+>-системами также на [0, ], т. е. для любых 0t>0><t>1><…<t>n>>-1><t>n><
, ,
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 (>0>U)
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 [3].
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 .
Литература
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.