К теореме о неявной функции для отображений классов Липшица

Журавлев Игорь Владимирович

Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu

Рубрика: Математика

Статья в выпуске: 4 (35), 2016 года.

Бесплатный доступ

Более сорока лет назад Ф. Кларк доказал теорему об обратной функции для липшицевых отображений, что позволило получить теорему о неявной функции для этого класса отображений. Результаты, полученные в этой работе, представляют собой теорему о неявной функции Ф. Кларка [1] и при этом даны новые оценки постоянной Липшица ее решений.

теорема о неявной функции \ теорема об обратной функции \ производная кларка \ липшицевы отображения \ постоянная липшица

Короткий адрес: https://sciup.org/14969022

IDS: 14969022   |   УДК: 517.51   |   DOI: 10.15688/jvolsu1.2016.4.4

On the implicit function theorem for Lipschitz mappings

New estimations for Lipschitz constant of solutions in the Clarke’s implicit function theorem are proved. Let = 𝑥0(𝑟1) ⊂ R𝑛, = 𝑦0(𝑟2) ⊂ R𝑚 and : 𝑈×𝑉 → R𝑚 be a local Lipschitz mapping in some neighbourhood of point (𝑥0, 𝑦0). Let 𝜕𝑦𝐹(𝑥0, 𝑦0) is of maximal rank. Then for every Δ*, Δ

Текст научной статьи К теореме о неявной функции для отображений классов Липшица

DOI:

Символом В п обозначим единичный шар пространства R ” с центром в начале координат, через В^(т) или а + тВ п условимся обозначать шар в R ” с центром а радиуса г >  0 . Обозначим через M m,n линейное пространство m х n -матриц с вещественными элементами. Для произвольной матрицы С Е M m,n ее норму | С | определим равенством | С | = sup | СД | .

| h | =1 , he R ™

Рассмотрим U — область в R ” и локально липшицеву вектор-функцию F : U ^ ^ R fc . Для множества К , содержащегося в U, символом Lip(F, К ) обозначим точную нижнюю границу тех чисел L , для которых выполняется неравенство | F(ж 2 ) — F (^ 1 ) | <  <   L | ж 2 — ж 1 | , ж 2 ,ж 1 Е К. Если ж — точка дифференцируемости функции F (ж), ж Е U , то матрица Якоби функции F (ж) в точке ж обозначается F ' (ж).

Пусть U' — множество всех точек дифференцируемости функции F(ж). Для точки ж* Е U символом dF(ж*) обозначим производную Кларка [1; 4] функции F(ж) в точке ж* — выпуклую оболочку множества всех матриц М Е Mfc,n, для которых найдется такая сходящаяся к х* последовательность хр Е U‘, р Е N, что F‘(хр) ^ М при р ^ то.

Пусть W — область в R n х R m и F : W ^ R fc — липшицева функция переменных х Е R n и -у Е R m . Если (х, у) — точка дифференцируемости функции F(х,у) , то F x (х,у) — матрица Якоби функции F(х,у) относительно дифференцирования по переменной х при фиксированной переменной у и F y (х,у) — ее матрица Якоби относительно дифференцирования по переменной у при фиксированной переменной х .

Для каждой матрицы D , принадлежащей производной Кларка dF(х, у) , символом D x обозначим к х п -матрицу, у которой столбец с номером г , 1 <  г <  п , совпадает со столбцом с номером г матрицы D , а символом D y обозначим к х m -матрицу, у которой столбец с номером j , 1 <  j <  m , совпадает со столбцом с номером п + j матрицы D . Полагаем d x F(х, у) = { D x : D Е dF(х, у) } , d y F(х, у) = { D y : D Е dF(х, у) } .

Сформулируем и докажем основной результат работы. Эта теорема представляет собой теорему о неявной функции Ф. Кларка [1] и при этом получены новые оценки постоянной Липшица ее решений.

Теорема. Пусть U = В X 0 (r i ) с R n , V = В ™ (Г 2 ) с R m и F : U х V ^ R m - отображение, удовлетворяющее условию Липшица в некоторой окрестности точки (х 0 ,у 0 ) и такое, что d y F (х 0 , у 0 ) имеет максимальный ранг. Полагаем А = max    I D - 1 • D x\ ,

DedF ( x o ,y o )

Q = 8V1 + А 2 . Тогда для каждого А * , А < А * , существует R, 0 <  R <  min { r 1 ,r 2 } , и единственное удовлетворяющее условию Липшица отображение G : /В (R) ^ ^ В ™ (QR) , для которого выполняются равенства

G(х o ) = у о , F(х,G(х)) = F(х о ,у о ), х Е В х 0 (R),

и

| G(х 2 ) — G(х 1 ) | <   А * | х 2 — х 1 | , х 2 , х 1 Е В Х 0 (R).

При этом lim Lгр(G,В" 0 (r)) <  А.

Доказательство. Для каждого 0 < е < 1 рассмотрим отображение Ф е : U х V ^ R n х х R ™ , определенное соотношением

(х,у) ^ (X,Y ) = (х, у о + е 1 (F(х,у) — F (х о ,у о ))).

Производная Кларка д Ф е (х 0 ,у 0 ) отображения Ф е (х,у) — выпуклое компактное множество матриц

T       7 n

^n     Zm e-1Dx e-1Dy

,

где Z ™ — нулевая п х m -матрица, 1 п — единичная п х п -матрица и D Е dF (х 0 ,у 0 ) .

В дальнейшем нам понадобится оценка сверху для

Отметим, что для матрицы М = ^

ная матрица

М 1 имеет вид

—

I n

D yT D x

I n ^-1Dx 7,п z m e D —

Z п Z m ^-^Dy

max | M 1 | .

M G д Ф E ( x o ,y o )

^, где D Е dF(х о ,у о ), ее обрат-

^ . В самом деле,

I n ^-1D x

у п

Z m e - 1 D y

х—

T7

1 nm

-1

D y D x eD y

) = ( е- i D x

T7

^n

— е 1Dx

^   I n l m .

Пусть (u,y) G R ” x R m . Тогда

|M - 1 (u/U) \ 2 < | u | 2 + \ D y 1 • Dx \ 2 | u | 2 + e 2 | D — 1 1 2 H2

и

\м - 1 \ <    1 +Д 2 + e 2 i d- 1 | 2 < У 1 ■ A 2 ■ A/. 2 ,

где L = max    \ D - \ — некоторая постоянная. Для дальнейшего существенно лишь

DE8F Ь,у о ) 1 у 1

то, что L <  то . Это можно доказать, например, воспользовавшись известным неравенством [3, с. 157]

\ D -i

—

D 0 y 11 <  1

| D 1 y

—

D o - |

^\ D \ 2 , D 0 y |

которое выполняется при условии | D 1 y — D 0 y | < \ D 0 y 1 \

1 , где D i ,D 2 G dF (х о ,у о ), и по-

казывает, что функция \ D - 1 \ непрерывна, а значит и ограничена на компакте dF(х 0 ,у 0 ).

Полагаем 5 ( e ) =

V 1+A 2 + e 2 L 2 .

Пользуясь (1) при выполнении условия

0 <  e <  e 0 = min

V1+A 2

4V1 + A 2 ,    L

,

имеем

\ M - 1 \ 1

>; А ■ A 2 ■ A L 2

= 5(e)

>

> 5(e) —

e = -

—

e V 1 +A 2 + e 2 ! 2

V 1 + A 2 + e 2 ! 2

>

> 1 — e ^/2(1 +A 2 )

-   ^2(1 +A 2 )

1      1

> 4 VI+a2

= 2k.

Всюду в дальнейшем мы считаем, что

0 <  e <  e 0 = min

\ 1 ■ A 2

4V1 + A 2 ,   L

и

k =     ; 1      .

8V1 + A 2

Покажем, что для любого единичного вектора u G R ” + m найдется такой единичный вектор w G R ” + m , что для всех M G д Ф Е (х 0 ,у 0 ) выполняется

( w, Mu' ) >  5 ( e ) .

Для этого заметим, что min I min | Mu | I >  5 ( e ) . В самом деле, функция м е д Ф Е ( ж о ,у о ) \|и | =1 )

| Mu | непрерывна на компакте дФ Е (х 0 ,у 0 ) x S , где S — единичная сфера с центром в начале координат в R ” + m . По теореме Вейерштрасса найдется такой (M 0 ,u 0 ) G G д Ф Е (х 0 ,у 0 ) x S , что | Mu | > | M 0 u 0 | для всех (M, u) G д Ф Е (х 0 ,у 0 ) x S . Тогда, пользуясь (2), имеем

5 ( e ) <     min \ M 1

м е д Ф Е ( ж о ,у о )

1 <| M - \

1 <

< М - 1 • тгг-^Ц   = | М0«0 | = min     f min | Ми |^ .

“   °   | М ° Ы ° |      1 u U| м es-M^ ) \M=1'     7

Пусть v eS. Выпуклое множество {Mv : М Е дФе(х°,у°)} и шар В°+т(5(е)) не пересекаются, поскольку из неравенства (4) следует |Mv| > 5(е). По первой теореме отделимости выпуклых множеств [2] найдется такой вектор W Е R”, что sup    (W, v) < inf    (W, Му).                     (5)

-U£B 0; +m ( 5 ( e ))              м е д Ф Е ( ^ 0 ,У 0 )

Полагая w = Жт, поделив (5) на | W | , получаем 5(е) = sup ( w,v ) < ( w, Mv ) для ^ e B "+m ( 5 ( e ))

всех M Е д Ф е (х ° ,у ° ), что и доказывает (3).

Производная Кларка произвольного липшицева в некоторой окрестности точки а Е Е R p отображения G : R p ^ R p обладает следующим замечательным свойством [1]: для каждого е * > 0 найдется такое г * >  0 , что условие х Е В р (г*) влечет включение дG(x) С дG(а) + е*Ву,р, где В у,р — единичный шар в пространстве q х р матриц. Пользуясь этим, для каждого е, 0 < е < е ° , выберем такое г(е) > 0 , что из соотношения (х,у) Е В^ + т ) (г(е)) следует дФ е (х,у) С дФ Е (х ° , у ° ) + ^^ВМ п+т (здесь ВМ п+т — единичный шар в пространстве (п + т) х (п + т) матриц).

Для любого единичного вектора v Е R n + m найдется такой единичный вектор w Е R n + m , что для всех и М Е д Ф е (х ° ,у ° ) выполняется неравенство (3) ( w, Mv ) >  5(e). Выбирая для произвольной матрицы М 1 Е д Ф е (х,у) , (х,у) Е В^ ^ ) (г(е)), такую матрицу М ° Е д Ф е (х ° ,у ° ) , что | М 1 — М ° | <  ^т и пользуясь следствием неравенства Коши — Буняковского | ( w, (М ° — М 1 ) v ) | <  Vп + т | М ° — М 1 | , имеем на основании (3),

( w, M 1 v ) >  ( w, M ° v ) — ( w, (М ° — М 1 ) v ) >  5(е) — е.                (6)

Покажем, что если (х 2 , У 2 ) и (х 1 ,^ 1 ) лежат в В (” + т 0 ) (г(е)) , то

| Ф е (х 2 ,У 2 ) — ф е (х 1 ,У 1 ) | >  ( 5 ( е ) — е )Кх 2 ,Ы — (х 1 ,У 1 ) | .

Пусть b = (х 2 ,у 2 ), а = (х 1 ,^ 1 ) и v = -—д , I = | b — а | . Пусть П — гиперплоскость, перпендикулярная v и проходящая через а и пусть п(х, у) — проекция R ” х R m на П . Множество всех тех точек из гВ , в которых F(х,у) не дифференцируема, имеет меру 0 и по теореме Фубини для почти всех а* из П \ п(М П гВ) отрезок [а * , а * +vZ] пересекается с М на множестве линейной меры 0 . Выберем последовательность а*. Е П \ п(М П гВ ) , сходящуюся к а . Тогда каждая из функций

Ф е (а * + tv), t Е [0,Z]

имеет на [0, Z] производную Фе‘(а* + tv)v и i

Ф е (b * ) — Ф е (а * ) = W Ф е ‘ (а * + tv)vdt, где b * = а * + vZ.

°

Выберем согласно (6) такой единичный вектор w , что для всех М Е д Ф е (х ° ,у ° ) + + V n+т ВМ п+т выполняется неравенство ( w, Mv ) >  5(е) — е.

Тогда

( w, Ф Е (bk ) — Ф Е (а £ ) } = W ( w, Ф/ (a*k + ty)y ) dt >  (5(e) — e)Z = (5(e) — e) | b — a | . 0

Пользуясь неравенством Коши — Буняковского и переходя к пределу при к ^ то , приходим к соотношению

| Ф е (Ь) — Ф е (а) | >  (5(e) — e) | b — а | >  2k | b — а | .                        (7)

Лемма 1. Справедливы включения

^ в г +^(£))                 (8)

ф £ (^ (^ 0 ) ^(£ 0 ))

0<  £< £ 0 , к = 8^ .

Доказательство. Покажем справедливость первого соотношения из (8). Пусть (ж * , у * ) — некоторая фиксированная точка из В^ ^ ) (кг(е)) и пусть (ж ц ,у ^ ) — точка минимума функции | (ж * , у * ) — Ф £ (ж,у) | 2 на В^ ^ ) ( ^ ( е )) - Предположим, что минимум достигается на 95^0 ) (г(е)) — границе шара В^^ ) (г(е)). Тогда | (ж ц ,у ц ) — (ж о ,У о ) | = = г ( е ) . Далее, в силу (7),

| Ф е (ж ц ,у ц ) — Ф е (ж о ,У о ) | >  2кт(е)

I (ж * , у * ) — Ф^уЛ < | (ж * ,у * ) — ф . (ж о ,у о ) | = | (ж * , у * ) — (ж о , у о ) | < г(£)к.

Отсюда кт(£) > |(ж*,у*) — (жо,уо)| = |(ж*,у*) — Фе(жо,уо) | >

>| ф £ (ж ц ,у ц ) — ф £ (ж о ,у о ) | — к^у * ) — ф £ (ж ц ,у ц ) | >

> 2кт(е) — т(е)к >  г(е)к.

Полученное противоречие означает, что минимум функции | (ж * ,у * ) — Ф £ (ж,у) | 2 достигается внутри шара В^ ^ ) ж ( е ) - По теореме 2.6.6 из [1] это означает, что 0 содержится в множестве 2((ж * ,у * ) — Ф £ (ж ц ,у ц ))ЭФ £ (ж ц , уД но каждый элемент множества дФ £ (ж,у) — невырожденная матрица и поэтому (ж * ,у * ) = Ф £ (ж ц_ ,у ц ). Итак, выполняется первое из утверждений (8).

Покажем, что

Ф £ (В(Х :?0 ) ^(£ о )) Э 5^ ) (кг(£ о ))

для ε

< £ о . Пусть Ф £ : R n х R m

I n

Z m n

7 n ^ m

^ R n х R m — линейное отображение с матрицей

( ^ 0 )I m

. Из соотношения

Ф е (ж, у) = (ж о ,у о ) + ф £ о (Ф е о (ж, у) — (ж о ,у о )),                      (9)

учитывая неравенство £ 0 > 1, имеем

Ф^ВМ^ = (х о , У о ) + Ф £ (Ф £ 0 (В& - О ) г( £ о )) - (х о ,У о )) Э

Э (х о , У о ) + Ф £ (г (£ о )кВ э (х о , У о ) + г(. о )кВ

Лемма 1 доказана.

В дальнейшем полагаем

,      1          V 1 + А 2 + £ 2 L 2

L(£) =           =.

5(£) - £   1 - £ V 1 + А 2 + £ 2 L 2

Для каждого £, 0 < £ <  £ о на шаре В^ ^ ) (кг(£о}) определены функции

Ф-1 ^о^о)

удовлетворяющие на В ^^ ) (кт(£У), согласно (7), условию Липшица

|Ф-1(%2,У2) - Ф-1 (X1, Y1)| < L(£)I(X2,Y2) - (X1, Y1)|.

Из (9) следует, что некоторому условию Липшица Ф-1(X,Y) удовлетворяют и на В(L+m0)(г(£о)). Отображения ФЕ(х,у) были определены так, что обратные к ним имеют вид х = X, у = 0£(X,Y).

Уточним свойства функций 0£(X, Y) .

Лемма 2. Справедливы неравенства:

  • 1)    | 0£(X 2 ,Y > ) - 0£(X 1 ,Y 1 ) | <  L £ 2     1 V: X 2 . Y 2 Y 2 , (X 1 ,Y 1 ),

(X 2 ,Y 2^ ЕВ (+0 т у0 ) ( к г(£))-;

  • 2)    | ©£(X 2 ,Y > ) - 0£(X 1 ,Y 1 ) | <

    ≤


    (L( £ 0 ) 2 - 1) | X 2 - X 1 | 2 +


    ( ££ о ) 2 L 2 (£ о ) | Y 2 - Y 1 | 2 ,


(X 2 ,Y 2 ), (X 1 ,Y 1 ) е В (ж- 0 т о ) (кг(£ о )).

Доказательство. Как следует из (10),

| Ф - 1 (X 2 , Y > ) - Ф - 1 (X 1 , Y 1 ) | 2 = | (X 2 , 0£(X 2 , Y > )) - (X 1 , 0£(X 1 , Y 1 )) | 2 =

= | X 2 - X 1 | 2 + | 0£(X 2 , Y > ) - 0£(X 1 , Y 1 ) | 2 <  L(£) 2 ( | X 2 - X 1 | 2 + | Y > - Y 1 | 2 ). Отсюда

| 0£(X 2 , Y 2 ) - 0£(X 1 , Y 1 ) | < V (L(£) 2 - 1)( | X 2 - X 1 | 2 + | Y 2 - Y 1 | 2 ,

(X 2 ,Y 2 ), (X 1 ,Y 1 ) е В (ж- 0 т о ) (кг(£)).

Докажем утверждение 2). Согласно (7)

или

| Ф £ 0 ( x 2 ,y 2 )

—

Ф £ о 'Gr., ^ 1 ) 2 >  L 2 ( £ ° ,) (x 2 • y 2 ) — (Gr , , ^ l | 2

^£”^ | F(r 2 ,y 2 ) — F (r 1 ,y 1 ) | 2 + | r 2 — r 1 | 2 >L 2 ( £ 0 )( | r 2 — r 1 | 2 + | y 2 — y 1 | 2 ).

Умножая последнее неравенство на ( £ 0 ) 2 и прибавляя справа и слева (1 — ( £ 0 )2) х х | x 2 — x 1 | 2 , получим

| Ф£(Ж 2 ,^ 2 ) — Ф£(Ж 1 ,^ 1 ) | 2 = ^ £ ^ | F (Х 2 ,У 2 ) — F (Х 1 ,У 1 ) \ 2 + | r 2 —

Ж 1 | 2 >

> (( "£ ° ) L 2 (£ ° ) + 1 — ( £ ) ) | r 2 — r i l 2 + ( "£ ° ) L 2 (£ ° ) | У 2 — У 1 | 2 .

Сделаем в этом неравенстве замену переменных ( x,y) = Ф - 1 (X, Y) = (X, H£(X, Y)). Получим

| X 2

—

X + Y — Y >

Отсюда

и

>

( ( ££ ° ) 2 l - 2( £ o ) +1 — ( £ 0 )2) ( | X 2 — X i | 2 + + ( £ 0 ) 2 L - 2 (£ o ) | H £ (X 2 , Y 2 ) — H £ (X 1 , Y 1 ) | 2 .

( 1° ) (1 — L 2 ( £ 0 )) | X 2 — X 1 | 2 + | Y 2 — Y 1 | 2 > > ( £ ° ) 2 L - 2( £ o )|H£( X 2 ,Y > ) — H(X 1 ,Y 1 ) | 2

(L 2 ( £ c ) — 1) | X 2 — X 1 | 2 + ^£~^ L 2 ( £ 0 ) | Y 2 — Y 1 | 2 >

> Н X,Y 2 )

—

Н (X i ,Y . ) | 2 .

Лемма 2 доказана.

Из соотношения

(X,Y) = Ф^Ф; 1(X,Y)) = (X,y° + £-1(F (X, Н (X,Y)) — F(x°,y°))), (X,Y) G B^o )(t(£o )), следует, что

F (X, Н (X,Y )) = F(x o ,y o ) + £(Y — y ° ), (X,Y ) G B^ /r^)).

Полагаем G^) = 0 6 (х у о ). Так как Ф £ (В ”+ ^(фо ))) содержит шар В ^+^ кфо )) , то функция G £ (х) определена на В ”о (кг(£ 0 )) и принимает значения в В ™ (г(£ 0 )). Из равенства F (X, 0 £ (X, Y)) = F (х 0 ,у 0 ) + £(Y — у 0 ) следует, что

F (х,^ £ (х)) = F(х о ,у о ), х G В ” 0 (кг(£ о )),                       (11)

и так как (х 0 ,у 0 ) — неподвижная точка отображений Ф £ (х,у) , то

G^ o ) = 0 £ (х о ,У о ) = У о .

По лемме 2 функция G £ (х) удовлетворяет условиям Липшица:

| G e^ 2 ) — G e (x 1 ) |< У L(£) 2 — 1 | х 2 — х 1 | , х 2 ,х 1 G В " 0 (кг(г)),          (12)

| ^ £ (х 2 ) — С £ (х 1 ) | <  А^ i( £ 0 ) 2

-

1 | х 2 — х 1 | , х 2 ,х 1 G В " 0 (кт(£ о )),

где

а/ ОД2 — 1 =

J А 2 + 2c V 1 + А 2 + £ 2 L 2 + £ 2 (1 + А 2 + L 2 + £ 2 L 2 )

1 — £ V 1 + А 2 + £ 2 L 2

.

Покажем, что G £ (х) не зависит от £, 0 < £ <  £ 0 . Если в некоторой точке х G G В ” 0 (кг(£ 0 )) выполняется G £ 1 (х) = G £ 0 (х) , то поскольку все Ф £ (х,у), 0 < £ <  £ 0 взаимно однозначны, то Ф £ 0 (х, G £ 1 (х)) = Ф £ 0 (х,G £ 0 (х)). Но в силу (11) Ф £ 1 (х, G £ 1 (х)) = = (х, 0 т ) и Ф 6 1 (х,G £ o (х)) = (х, £ - 1 (F(х,G £ o (х, у о )) — F(х о ,у о )) = (х, 0 т ). Полагаем G(х) = G £ 0 (х). Отображение G : В ” 0 (кг(£ 0 )) ^ В ™ (г(£ 0 )) удовлетворяет равенству F(х, G(х)) = F(х 0 ,у 0 ), х G В ” 0 (кг(£ 0 )), и единственно. В самом деле, если (х,у) G G В” (И^)) х в ™ (r(£ o )) С В ^+Х/Фо )) и F(х,у) = F(х,G(х)) , то ф £ о (х,у) = = Ф £ 0 (х,G(х)) , то есть у = G(х) .

Для завершения доказательства отметим, что пользуясь (12) для каждого А * , А < < А * , мы можем выбрать такое £ 0 , £ 0 <  min { 4^ 1+д 2 , ^ 1+А 2 }, что // L(£) 2 — 1 < А * , для всех £, 0 < £ < £ 0 . Затем, полагаем R = кг(£ 0 ), QR = г(£ 0 ) = R/к. Функция G : В ”о (R) ^ В ™ (QR) удовлетворяет всем заключениям теоремы и, как следует из (12), lim Lip(G, В " (г)) <  А. Теорема доказана. г ^ 0+            0

Из этой теоремы получаем следствие.

Следствие. Пусть U — область в R " и отображение F : U ^ R " — липшицево. Если dF (а) , a G U , имеет максимальный ранг, то существует такая окрестность V точки а, что F гомеоморфно на V, а отображение F - 1 : F(V) ^ R " липшицево на F(V). При этом lirn^Lzp(F - 1 ,В р ( а ) (г)) <  max | В - 1 | .

Список литературы К теореме о неявной функции для отображений классов Липшица

  • Кларк, Ф. Оптимизация и негладкий анализ/Ф. Кларк. -М.: Наука, 1988. -280 c.
  • Колмогоров, А.Н. Элементы теории функций и функционального анализа/А.Н. Колмогоров, С.В. Фомин. -М.: Наука, 1976. -543 c.
  • Люстерник, Л.А. Элементы функционального анализа/Л.А. Люстерник, В.Н. Соболев. -М.: Наука, 1965. -520 c.
  • Clarke, F. On the invers function theorem/F. Clarke//Pac. J. Math. -1976. -Vol. 64, № 1. -P. 97-102.