Mérhető halmazértékű leképezések

LegyenX normált tér és tekintsünk egy F : [0, T];X zárt értékű halmaz-értékű leképezést. Ez azt jelenti, hogy minden t ∈[0, T] mellett F(t) az X tér valamely nem üres, zárt részhalmaza.

Jelentse a továbbiakbanAa [0, T]intervallum Lebesgue-mérhető részhal-mazainakσ-algebráját, továbbá jelöljeµa Lebesgue-mértéket.

4.3. Definíció. Azt mondjuk, hogy F mérhető, ha bármely V ⊂ X nyílt halmazra

F⁻¹(V) ={t∈[0, T] :F(t)∩V 6=∅} ∈ A, azaz a nyílt halmazok inverzképei mérhetőek.

4.4. Állítás. Ha X véges dimenziós, akkor az alábbi állítások ekvivalensek.

(1) F mérhető.

(2) BármelyK⊂X kompakt halmazraF⁻¹(K)∈ A.

(3) BármelyM ⊂X zárt halmazraF⁻¹(M)∈ A.

Bizonyítás. (1)⇒(2). HaK⊂X kompakt halmaz, akkor tekintsük a V_n=

x∈X :d_K(x)< 1 n

nyílt halmazokat. Világos, hogyK=T∞

n=1Vn, ezért F⁻¹(K) =

∞

\

n=1

F⁻¹(Vn)∈ A.

(2)⇒(3). Minden zárt halmaz megszámlálható sok kompakt halmaz egye-sítéseként áll elő. Nevezetesen, haM zárt, akkor aKn=M ∩nB halmazok kompaktak és

M =

∞

[

n=1

Kn.

1A mértékelméleti segédeszközök megtalálhatók :Magyarkuti : Mértékelmélet és di-namikus programozás, www.tankonyvtar.hu, 2013.

4.2. Mérhető halmazértékű leképezések 45 aholB azX tér zárt egységgömbje. Ilyenkor tehát

F⁻¹(M) =

zárt halmazokat. Mivel ekkorV =S∞

n=1Mn, azt kapjuk, hogy amivel az állítást igazoltuk.

Megjegyezzük, hogy (1) és (2) ekvivalenciája bármely normált térben ér-vényes.

4.5. Állítás. Ha X véges dimenziós, továbbá F és G mérhető leképezések, akkorF∩Gis mérhető.

Bizonyítás. Először megmutatjuk, hogyF×Gis mérhető leképezés. Valóban, haU ⊂X×X nyílt halmaz, akkorU előállítható

alakban, aholAn ésBn az X nyílt halmazai. Ekkor azonban (F×G)⁻¹(U) =

Könnyen ellenőrizhető a definíció alapján, hogy mérhető leképezések egye-sítése is mérhető.

4.6. Példa. Tipikus példa mérhető halmazértékű leképezésre az alábbi konst-rukció. Legyenumérhető függvény a[0, T]intervallumon,U az X kompakt részhalmaza, továbbáF(t) =u(t) +U. Adottε >0mellett tekintsük a

G(t) ={x∈F(t) :kx−u(t)k ≥ε}

leképezést. Az előző állításunk alapján könnyű ellenőrizni, hogyGkompakt értékű mérhető leképezés. Valóban,Gfelírható aG(t) =F(t)∩H(t)alakban, ahol

H(t) ={y∈X :ε≤ kyk ≤α},

ésα= sup{kuk:u∈U}. IttF ésH mérhetőek, ugyanis Luzin tétele szerint a[0, T] intervallumból elvehető egy tetszőlegesen kicsi pozitív mértékű rész, hogy a maradékonufolytonos. Ekkor nyílt halmaz inverzképe is nyílt, ebből adódik a teljes inverzkép mérhetősége. ÍgyGmérhetősége azonnal adódik az előző állításból.

4.3. Szelekciós tétel

Fontos kérdés, hogy egy mérhető halmazértékű leképezésben mikor halad egy mérhető függvény. Ezt válaszoljuk meg az alábbiakban. Így arra is választ kapunk, hogy az irányítási rendszerek mikor írhatók fel differenciáltartal-mazások alakjában. Az alábbi tétel (általánosabb formában) Kuratowski és Ryll-Nardzewski lengyel matematikusoktól származik.

4.7. Tétel (Szelekciós tétel). Ha X véges dimenziós ésF zárt értékű mér-hető leképezés, akkor F-nek van mérhető szelekciója, azaz olyan f mérhető függvény a[0, T]intervallumon, amelyre

f(t)∈F(t) majdnem mindent∈[0, T]esetén.

Bizonyítás. Jelölje Q = {r1, r2, . . .} a racionális koordinátájú pontok hal-mazát azX térben. Induktív módon definiáljuk mérhető függvények egy f_n sorozatát, amelyre

f_n(t)∈F(t) + 1

2ⁿB, (4.2)

valamint

kfn(t)−f_n−1(t)k< 1

2ⁿ⁻¹ (4.3)

mindentpontban és mindenntermészetes számra.

4.3. Szelekciós tétel 47 Legyen evégettf1(t) =r1 a [0, T] intervallumon. Ha a sorozat elsőn−1 elemét már definiáltuk, úgy tekintsük a

C_iⁿ= MásrésztQlezárása az egészX, ezért található olyani index, amelyre

kri−xk<1/2ⁿ és kri−xk+kx−fn−1(t)k<1/2ⁿ⁻¹.

halmazokat. Világos, hogy ekkor az E_iⁿ halmazok páronként diszjunktak, mérhetőek, és egyesítésük kiadja a [0, T] intervallumot. Értelmezzük az fn

függvényt az

fn(t) =ri, ha t∈E_iⁿ

formulával. Könnyen látható, hogy fn mérhető, továbbá a konstrukcióból adódóan fennállnak a (4.2) és (4.3) alatti egyenlőtlenségek.

Másrészt (4.3) szerint az fn sorozat egyenletesen konvergens. Ha most f = limfn, akkorf mérhető, továbbá a (4.2) relációra tekintettel azF hal-mazértékű leképezés szelekciója.

A szelekciós tételt a későbbi szakaszokban extremális irányítások előállítá-sához használjuk. Egy másik fontos alkalmazása az úgynevezett Filippov-féle implicitfüggvény-lemma, amely lehetővé teszi, hogy irányítási feladatokat dif-ferenciáltartalmazásokká írjunk át. Ennek egy speciális esetét mutatjuk most meg.

4.8. Tétel (Implicitfüggvény-lemma). Legyen f : X ×Y → X folytonos függvény, ésU ⊂Y zárt halmaz. Tekintsük az

F(x) ={f(x, u) :u∈U}

halmazértékű leképezést. Ha valamelyx: [0, T]→X folytonos függvény mel-lett azy: [0, T]→X mérhető függvényre

y(t)∈F(x(t))

majdnem mindenütt, akkor található olyanu: [0, T]→U mérhető függvény, hogy

y(t) =f(x(t), u(t)) majdnem mindenütt.

Bizonyítás. Tekintsük a

G(t) =U ∩ {u∈Y :y(t) =f(x(t), u)}

halmazértékű leképezést. Világos, hogyG értékei nem üres, zárt halmazok.

MásrésztGmérhető is, hiszen a Luzin-tétel értelmében a[0, T]intervallumból elvehető egy tetszőlegesen kicsi pozitív mértékű részhalmaz, hogy a maradé-konyfolytonos legyen. Tehát a szelekciós tétel szerint létezik egy umérhető szelekciója. Ez éppen megfelel az állításunknak.

Az implicitfüggvény-lemmából azonnal következik, hogy az x⁰(t) =f(x(t), u(t)), u∈Uˆ

irányítási differenciálegyenletnek, illetve a fentiF mellett az x⁰(t)∈F(x(t))

differenciáltartalmazásnak a megoldáshalmazai egybeesnek.

4.4. Extremális irányítások

A maximum-elv szerint az optimális irányítások értékkészlete azU irányítási tartomány határán fekszik. Ha történetesenU szigorúan konvex, akkor ezek a határpontok mind extremális pontok is.

4.9. Definíció. A (2.1) rendszer valamely u irányítását extremálisnak ne-vezzük, hau(t)majdnem mindenütt azU halmaz extremális pontja.

4.10. Lemma. Azupont akkor és csak akkor extremális pontja azU konvex halmaznak, ha azU∩(2u−U)halmaz az egyetlenupontból áll.

4.4. Extremális irányítások 49 Bizonyítás. Mindenesetre, ha u ∈ U, akkor u = 2u−u ∈ 2u−U, és így u∈U ∩(2u−U).

Tegyük fel, hogyU∩(2u−U)nem egyelemű, azaz található olyanu16=u, amelyreu1∈U∩(2u−U). Akkor egyrésztu1∈U, másrésztu2= 2u−u1∈U. Azonban U konvex, ezért u= 1/2(u1+u2), azaz unem lehetne extremális pont.

Fordítva, tegyük fel, hogyunem extremális pontja azU halmaznak. Ekkor találhatunk két különbözőu1ésu2pontot azU halmazból, valamint egy0<

< α <1skalárt, hogyu=αu1+ (1−α)u2. Az általánosság csorbítása nélkül föltehető, hogyα >1/2. Ekkor

v= 2u−u₁= (2α−1)u₁+ 2(1−α)u₂∈U.

Könnyen látható, hogy ekkoru1ésvegyaránt azU∩(2u−U)halmaz eleme, így az nem is lehet egyelemű.

4.11. Tétel. Tegyük fel, hogy U az Y konvex, kompakt részhalmaza, és te-kintsük a megengedett irányítások (4.1) alatti Uˆ halmazát. Az u0 irányítás akkor és csak akkor extremális, hau0 azUˆ extremális pontja.

Bizonyítás. Szükségesség. Indirekt módon tegyük fel, hogyu0nem extremális pontja azUˆ halmaznak. Akkor található két különbözőu₁ésu₂megengedett irányítás, valamint egy0< α <1skalár, hogy

u₀=αu₁+ (1−α)u₂. (4.4)

Mivelu1ésu2különbözőek, van olyan pozitív mértékűDrészhalmaza a[0, T] intervallumnak, hogyu1(t)6=u2(t)minden t∈D pontban. Ez azonban azt jelentené, hogyu0(t)nem lehet azU extremális eleme aD pontjaiban.

Elégségesség. Tegyük fel ismét indirekt módon, hogy létezik olyan pozitív mértékűD halmaz, hogyu0(t)nem extremális pontja az U halmaznak aD pontjaiban. Ekkor az előző lemma szerint aW(t) =U∩(2u0(t)−U)halmaz nem is lehet egyelemű, hat∈D. Találhatunk tehát olyanεpozitív számot, és olyanD₁⊂D pozitív mértékű halmazt, amelyekre a

G(t) ={x∈W(t) :kx−u₀(t)k ≥ε} 6=∅

aD1pontjaiban. AGleképezés mérhető (lásd a 4.6. Példát), és értékei zárt halmazok. A szelekciós tétel szerint ezért találhatunk egy olyan u¯ mérhető függvényt, amelyreu(t)¯ ∈G(t)a D1 halmazon. Világos a Gértelmezéséből, hogy2u0(t)−u(t)¯ ∈G(t)a D1 pontjaiban. Tehát az

u1(t) =

u₀(t), hat6∈D₁,

¯

u(t), hat∈D₁,

valamint az

u2(t) = 2u0(t)−u1(t)

függvények egyaránt azUˆ halmazban fekszenek. Mivel ekkoru₀= 1/2(u₁+u₂), ez azt jelenti, hogyu₀ nem lehet azUˆ extremális pontja.

4.12. Lemma. Ha H vektortér, Λ : H → X lineáris leképezés, Uˆ ⊂ H konvex halmaz ésx¯ aΛ ˆU halmaz extremális pontja, akkorUˆ ∩Λ⁻¹(¯x)azUˆ extremális részhalmaza.

Bizonyítás. Ha valamelyu0∈Uˆ∩Λ⁻¹(¯x)pontnak létezik olyan u0=αu1+ (1−α)u2

előállítása, aholu1, u2∈Uˆ és0< α <1, akkor

¯

x= Λu0=αΛu1+ (1−α)Λu2.

Mivelx¯extremális pont, ez csak úgy lehetséges, hogyΛu1= Λu2= ¯x. Ez azt jelenti, hogyu1, u2∈Uˆ∩Λ⁻¹(¯x).

4.13. Tétel. Legyen U az Y konvex kompakt részhalmaza, és tekintsük a megengedett irányítások(4.1)alatti Uˆ halmazát. Hax¯aΛ ˆU extremális pont-ja, akkor van olyanu0 extremális irányítás, amelyreΛu0= ¯x.

Bizonyítás. Az előző lemma szerint mindenesetreUˆ∩Λ⁻¹(¯x)azUˆ extremá-lis részhalmaza. MásrésztUˆ ∩Λ⁻¹(¯x)nyilván korlátos konvex zárt halmaz, ezért a 1.24. Tétel értelmében van extremális pontja. Mivel egy extremális részhalmaz extremális pontjai egyúttal az egész halmaz extremális pontjai is, találhatunk olyan u₀ ∈ Uˆ extremális pontot, amelyre Λu₀ = ¯x. Ekkor azonban a 4.11. Tétel folytánu₀extremális irányítás.

In document Variációszámítás és optimális irányítás (Pldal 52-58)