Пусть Е- линейное пространство с конусом К и знак «» есть отношение предпочтения по конусу К.
Однако, миниэдральные конусы в конечномерных пространствах обладают следующим фундаментальным свойством:
если конус К миниэдрален, то каждое ограниченное сверху (соответственно, снизу) множество М элементов имеет точную верхнюю sup М (соответственно, точную нижнюю inf M) грань.
Пример. Рассмотрим в пространстве с конусом векторов из с неотрицательными координатами множество векторов , удовлетворяющих для заданного вектора неравенству
.
Тогда inf , sup не существует.
Аналогично, если - множество векторов из, удовлетворяющих неравенству
,
то sup, а inf не существует.
§3. Интегральные операторы
Большой интерес представляют линейные интегральные операторы
,
действующие в различных пространствах Е функций, определенных на множестве W, которое мы предполагаем ограниченным и замкнутым подмножеством конечномерного пространства Rп [1], [16], [20].
Термин "интегральные уравнения" расплывчат. Обычно под интегральными уравнениями понимают уравнения, в которых неизвестная функция независимого (скалярного или векторного) аргумента встречается под знаком интеграла. Различают линейные и нелинейные интегральные уравнения, в зависимости от того зависит ли уравнение от неизвестной функции линейным или нелинейным образом. Многие линейные интегральные уравнения (в "одномерном" случае) могут быть записаны в виде
(1)
где x: [a, b] → R — искомая функция, α, f: [a, b] → R и K: [a, b]×[a, b] → R — заданные функции. Функцию K обычно называют ядром интегрального уравнения.
Уравнение (1), когда K(t, s) = 0 при a ≤ t ≤ s ≤ b, называют уравнением Вольтерры. В противном случае его называют уравнением Фредгольма [2]. Уравнение Вольтерры, очевидно, оно может быть переписано в виде
Наиболее распространенными представителями нелинейных интегральных уравнений являются уравнения Урысона
Уравнения I и II рода
Если α(t) ≠ 0 при всех t [a, b], то уравнение (1), очевидно, может быть переписано в виде
(2)
Уравнения такого вида называют уравнениями II рода, отличая их от уравнений I рода
(3)
Если в некотором пространстве функций на отрезке [a, b] определить интегральный оператор
то уравнения (2) и (3), очевидно, переписываются в виде
x = Ix + f (4)
0 = Ix + f (5)
Прежде, чем объяснить разницу между уравнениями I и II родов, введем понятие корректности уравнения. Огрубляя ситуацию, говорят, что уравнение (4) или (5) корректно, если при любых f оно однозначно разрешимо и решение x непрерывно зависит от f. Более точно, говорят, что (линейное) уравнение корректно в паре (E1, E2) банаховых пространств функций на отрезке [a, b], если для любой f E2 уравнение имеет единственное решение xE1 и, кроме того, найдется такая константа C, что ||x||E1 ≤ ||f ||E2.
Разница между уравнениями I и II родов особенно ясно проявляется после записи интегральных уравнений в операторном виде. Суть здесь в следующем. Интегральные операторы в большинстве своем оказываются вполне непрерывными операторами. Для корректной разрешимости уравнения II рода, т. е. уравнения (4) при любой функции f необходимо и достаточно обратимости оператора I – I и ограниченности (I – I)–1, что в случае вполне непрерывного оператора I есть ситуация общего положения. Для разрешимости уравнения I рода необходима обратимость оператора I. В случае же вполне непрерывного оператора I–1 если он существует, необходимо, чтобы он являлся неограниченным [].
Уравнения I рода представляют собой существенно более сложный объект исследования.
§4. Интегральные уравнения с вырожденным ядром и уравнения
типа свертки
Выделим еще два класса линейных интегральных уравнений, часто встречающихся в математическом обиходе [2], [29]. Первый из них состоит из так называемых интегральных уравнений с вырожденным ядром. К ним относят интегральные уравнения, ядро которых представимо в виде
(6)
Интегральные уравнения (скажем, Фредгольма II рода) с вырожденным ядром легко сводятся к системе алгебраических уравнений. Используя (6), уравнение (2) можно переписать в виде
(5)
где
.
Умножение (7) на ηj и интегрирование по t от a до b приводит к системе алгебраических уравнений относительно неизвестных cj:
в которой
,
Уравнение Вольтерры типа свертки выделяется специальным видом ядра K(t, s) = k(t – s):
Название наследуется от интегрального оператора свертки
играющего роль умножения в банаховых алгебрах функций. Уравнение типа свертки весьма широко распространено в приложениях.
Уравнение Фредгольма типа свертки выглядит так:
Линейный оператор называется вполне непрерывным, если он переводит каждое ограниченное по норме пространства множество в компактное множество.
Почти во всякой физической задаче, которая может быть сформулирована с помощью линейных операторов, важной характеристикой типа задачи является спектр соответствующего оператора [13]. Одной из основных характеристик спектра оператора является спектральный радиус этого оператора. Напомним, что те значения , при которых уравнение
,
где – рассматриваемый оператор, имеет единственное решение, а оператор ограничен, называются регулярными. Совокупность всех значений , не являющихся регулярными, называется спектром оператора и обозначается . Спектральным радиусом оператора называется число, определенное формулой
, .
Если уравнение
при данном имеет решение, отличное от тривиального, то называется собственным значением оператора , а нетривиальное решение уравнения называется собственным вектором, отвечающим этому собственному значению . При этом собственное значение называется позитивным, если и отвечающий ему собственный вектор принадлежит конусу .
Глава II
Оценки спектральных радиусов интегральных операторов
§1. Сравнение спектральных радиусов двух положительных
операторов
Многочисленные технические, физические, а также экономические задачи приводят к отысканию решения типа
lx = Ax + f.
Известно, что данное уравнение будет иметь единственное решение, которое можно найти, используя метод последовательных приближений, если спектральный радиус оператора A меньше единицы.
В терминах понятия спектрального радиуса [20], [24], устанавливаются важнейшие теоремы существования неотрицательного решения соответствующих моделей математической экономики (модель Леонтьева, модель Леонтьева-Форда, обобщенная модель Леонтьева-Форда).
Приведем соответствующее определение.
Пусть А – линейный ограниченный оператор, действующий в банаховом пространстве Е. Вещественное или комплексное число l называется регулярным значением оператора А, если оператор
(lI - A)
имеет ограниченный обратный, определенный во всем пространстве Е. В противном случае соответствующее число l называется точкой спектра оператора А. Совокупность всех точек спектра оператора А обозначается s(А).
Спектральным радиусом r(А) оператора А называется следующая величина:
.
Для ограниченного оператора А спектральный радиус r(А) является ограниченной величиной, более того из принципа Банаха сжатых отображений [23] следует оценка
r(А) < ||A||.
Важнейшим фактом теории линейных положительных операторов является следующий факт:
Пусть конус К – нормальный и воспроизводящий, тогда r(А) является точкой спектра оператора А (теорема Карлина).
Более того, при несущественных дополнительных предположениях r(А) является собственным значением оператора А, которому отвечает собственный вектор x*Î К (теорема Перрона-Фробениуса [2]).
В теории принципа Хикса для интегрального уравнения с неотрицательным ядром важную роль для его справедливости играет условие вида
r(A)<1, (1)
где r(A) - спектральный радиус интегрального оператора А с ядром K(t,s). Естественно иметь признаки, обеспечивающие выполнение условия (1). Для этого получим соответствующие признаки для случаев, когда А:
