
книги из ГПНТБ / Макаров, В. Л. Математическая теория экономической динамики и равновесия
.pdf60 |
Т О Ч Е Ч Н О - М Н О Ж Е С Т В Е Н Н Ы Е О Т О Б Р А Ж Е Н И Я |
[ГЛ . I |
П р и м е р . Пусть Й х = Q 2 = R\- Отображение а определено следующим образом: а (X) = [0, X] (X £Е R\)- Так как a (R\) = R\, то отображение аГ1 определено на всей неотрицательной полуоси. Для |х е R\
а'1 (и.) = {X | ji е [0, X]} = [ц, + со).
График Z отображения а изображен на рис. 10, график Z'1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. И. |
|
|
||
отображения а - 1 |
— |
на |
рис. 11. Для |
X £Е R\ |
имеем |
|
|
||||||||||
|
|
|
а2 |
(X) = |
а (а (X)) |
= |
а ([0, |
X]) |
= |
а |
(X), |
|
|
|
|||
т. е. а2 |
= |
а. Для |
всех |
натуральных |
< |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
а1 |
= |
а. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Найдем |
теперь |
( а - 1 ) ' . |
Имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
( а " 1 ) ' (X) = |
( а ' ) " 1 (X) = |
а-* |
(А) |
|
(X |
е Д } ) , |
|
|
||||||
т. е. а - ' |
= |
а - 1 (i = |
2, |
3, |
. . .). Определим, |
наконец, |
а ° |
а - 1 . |
Пусть |
||||||||
fx е R\- |
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(а |
о а"1 ) (и.) |
= |
а (а" 1 |
(ц)) = |
а Цц, |
+ |
оо )) |
= |
(J |
а (v) |
= |
R1.. |
|||||
Таким |
|
образом, |
отображение |
а ° а - |
1 |
сопоставляет |
каждой |
точке |
|||||||||
X всю |
полуось |
R\. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Замкнутые отображения. Будем теперь считать, что Qx и Q 2 суть подмножества конечномерных векторных пространств Хг и Х2 соответственно, причем в простран ствах Xt (i — 1, 2) введены каким-то образом нормы.
Отображение а множества Qj в П (Q2 ) назовем зам кнутым (или полунепрерывным сверху), если график Z
этого отображения замкнут. В терминах последователь-
Э Л Е М Е Н Т Ы Т О П О Л О Г И Ч Е С К О Й Т Е О Р И И |
61 |
ностей замкнутость отображения означает следующее:
если (хп) — последовательность |
элементов |
й 1 ? |
хп -»- х, |
|||||
г/л G5 а (хп), |
уп^>~ у, то |
х е |
Я, у ЕЕ а (х). |
Заметим, |
что |
|||
из замкнутости отображения |
а, |
определенного |
на |
мно |
||||
жестве Я х , вообще говоря, не следует |
замкнутость Я х . |
|||||||
Приведем простой пример, подтверждающий это об |
||||||||
стоятельство. |
|
|
|
|
|
|
|
|
П р и м е р |
1. Пусть |
X1 = |
X2=R1, |
fix |
= |
fi2 = |
(0, + |
оо), |
Графиком отображения а является множество
Отображение а замкнуто, в то время как Q x не замкнуто.
Из формулы (3.1) немедленно следует, что замкнутость отображений а и а~л эквивалентна.
Введем теперь определение замыкания отображения. Если а — отображение множества Я х в П (Я 2 ), то замы канием этого отображения назовем отображение а, гра фик которого Z совпадает с замыканием графика Z ото бражения а. Заметим, что, замыкая некоторое отображе ние, мы можем, вообще говоря, расширить его область определения.
В дальнейшем будем считать, что множество Я х замк |
||||||
нуто. Отметим некоторые простые |
свойства |
замкнутых |
||||
отображений. |
|
Пусть |
а: |
|
|
|
П р е д л о ж е н и е |
3 . 1 . |
й х |
-»- П (Я2 ) — |
|||
замкнутое |
отображение, \ — компактное |
подмножество |
||||
Qx. Тогда |
множество |
а (£) |
замкнуто. |
|
|
|
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Пусть |
уп ЕЕ а (£) (п = 1, |
2, ...), уп -»- |
у. Пусть, далее, хп |
— произвольный элемент |
|||||||||
множества а~г (уп) |
(~| £. Не умаляя общности, можно счи |
||||||||||
тать, |
что |
последовательность |
(хп) |
сходится, |
и |
пусть |
|||||
х = |
l i m хп. |
Из |
определения |
замкнутого |
отображения |
||||||
теперь следует, что |
у ЕЕ |
а (х) |
и, стало |
быть, |
у ЕЕ |
а (|). |
|||||
Предложение |
доказано. |
|
|
|
|
|
|
||||
С л е д с т в и е . |
Если |
а — замкнутое |
отображение, |
||||||||
то для любого ж ЕЕ Я х множество |
а (х) |
замкнуто. |
|
З а м е ч а н и е 1. Нетрудно проверить, что утверждение, обратное следствию, вообще говоря, неверно. Приведем соответст вующий пример.
62 |
Т О Ч Е Ч Н О - М Н О Ж Е С Т В Е Н Н Ы Е О Т О Б Р А Ж Е Н И Я |
[ Г Л . I |
|
|
П р и м е р 2. Пусть Хг = Х2 |
= Л 1 , Q1 = Q 2 = |
R\, |
|
[ 0 , 1 ] , |
s ^ O , |
|
|
e ( ' , a = I { < » . |
, = o. |
|
При любом а; множество а (г) замкнуто, но тем не менее отображение |
|||
а не замкнуто. Его |
замыкание, отображение а, |
как нетрудно про |
|
верить, имеет вид |
|
|
|
а |
(х) = [0, 1] для |
всех х Е |
R\. |
З а м е ч а н и е |
2. Если а — |
замкнутое отображение, то образ |
замкнутого множества, вообще говоря, не обязан быть замкнутым, а образ компакта не обязан быть компактом (даже если множества
а (х) компактны |
при всех |
х). |
Приведем |
примеры. |
П р и м е р |
3. Пусть |
Хх |
= A'2 = R1, |
Qx = [1, + со), й 2 = |
= Л * , а (х) = - j - , l^j. Отображение о замкнуто; в то же время
образ a (Qj) замкнутого множества |
Qx |
не |
замкнут. |
П р и м е р 4. Пусть Хх = Х2 |
= |
Л 1 , |
Й х = Q 2 = Л * , |
Отображение а замкнуто, но образ компакта [0,1] не компактен,
хотя прп |
всех |
1 £ Й ] |
множества |
а |
(г) |
компактны. |
|
|
|
||||||||
|
Отображение |
а назовем ограниченным, |
если |
оно пере |
|||||||||||||
водит |
ограниченные |
множества |
в ограниченные. |
Имеет |
|||||||||||||
место: |
|
|
|
|
|
|
|
Пусть |
ах : Qx |
|
|
|
и |
||||
|
П р е д л о ж е н и е |
3.2. |
|
П (Й2) |
|||||||||||||
а2: £22 |
|
П (Q3) |
— замкнутые |
|
отображения |
(здесь |
Q 2 |
ZD |
|||||||||
ZD £22); пусть, |
далее, отображение ах |
ограничено. |
Тогда |
||||||||||||||
отображение |
а2 ° ах |
замкнуто. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Рассмотрим |
последователь |
||||||||||||||
ности |
(хп) и |
(zn), |
где |
i j G Q i , |
ж„ -> ж, z n |
ЕЕ а2 ° % (жп ), |
|||||||||||
z n |
—>- z. |
Для |
|
доказательства |
|
предложения |
надо |
про |
|||||||||
верить, |
что |
z ЕЕ я2 0 |
% (ж). |
|
Для |
каждого |
?г найдем |
||||||||||
элемент |
уп |
множества |
аг (хп) |
|
такой, что |
zn |
ЕЕ а2 (у п ) - |
||||||||||
Из |
ограниченности |
аг |
следует, |
что |
последовательность |
(Уп) ограничена, и потому, не умаляя общности, можно считать, что эта последовательность сходится, скажем, к элементу у. Из замкнутости отображений ах и а2 сле
дует, что у ЕЕ ах (х) и z ЕЕ а2 (г/), т. е. z ЕЕ а2 ° % (*)• Предложение доказано.
Э Л Е М Е Н Т Ы Т О П О Л О Г И Ч Е С К О Й Т Е О Р И Й |
63 |
З а м е ч а н и е . Следующий пример показывает, |
что произ |
ведение двух замкнутых отображений, вообще говоря, не обязано
быть |
замкнутым. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
П р и м е р |
5. Пусть |
XL |
= |
Х2 = |
Х3 |
= |
Л 1 , |
Ql |
= |
|
Q2 |
— |
йз' = |
||
= |
fij |
= R\, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а , и = ( Ш - |
|
|
|
|
|
|
a |
i |
[ |
x |
) |
J |
{ 4 - } . |
|
|
|
( |
{0}, |
« |
= |
0, |
|
|
I |
{!}, |
|
* |
= |
0. |
|
|
Нетрудно проверить, что отображения ах и а2 замкнуты, однако |
||||||||||||||||
отображение а2 |
о ах : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
aj о а\ (х) =Г^{*}, |
z= £ 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
не |
замкнуто. |
|
|
V |
I |
{1}, |
* |
= 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П р е д л о ж е н и е 3.3. Пусть Q± — замкнутое под множество пространства Хг, Q2 — подмножество про странства Х 2 и a: Qx -*- П (Q2 ) — замкнутое ограничен ное отображение. Тогда если f — непрерывный на Q 2 функ ционал, то функционал и/
uf(x) = |
max f(y) |
( I E U J , |
полунепрерывен сверху |
*). |
|
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Покажем прежде всего, что |
определение функционала « ; корректно (т. е. функционал / действительно достигает максимума на множестве а (х)). Для этого достаточно заметить, что, как вытекает из ус ловия предложения и следствия из предложения 3 . 1,
множество |
а (х) компактно |
при любом х |
Е Е |
fli- |
|||||
Рассмотрим теперь последовательность |
(хп) |
элементов |
|||||||
множества |
Q, |
и пусть |
хп—> х. |
Выберем |
элемент уп Е Е |
||||
Е Е а (хп) |
так, |
чтобы / (уп) |
= |
uj (хп). |
По условию, мно |
||||
жество |
a [\Jxn) |
ограничено, |
и потому |
из ПОСЛеДОВатеЛЬ- |
|||||
пости (уп) |
то |
|
|
|
|
|
|
|
|
можно выбрать |
сходящуюся |
подпоследова |
|||||||
тельность {упк). |
Пусть |
у = |
l i m ynj.. |
Из |
замкнутости а |
||||
вытекает, |
что |
у Е Е а (х), |
и |
потому |
|
|
|
||
|
|
|
A l / X |
max /(z) =>/(ж). |
|
|
*) Как отмечалось в начале этого пункта, замкнутые отобра жения называют также полунепрерывными сверху.
64 |
Т О Ч Е Ч Н О - М Н О Ж Е С Т В Е Н Н Ы Е |
О Т О Б Р А Ж Е Н И Я |
[ГЛ . I |
|||||
Итак, |
l i m uf |
[хПк) |
= / (г/) ^ |
щ |
(х). |
Из |
сказанного легко |
|
следует, что |
l i m «/ (хп) ^ |
и; |
(х). |
|
|
|
||
Предложение |
доказано. |
|
|
|
|
|
||
3. Теорема |
Какутанп. |
Замкнутые |
точечно-множест |
венные отображения играют важную роль при исследо вании многих задач математической экономики и теории игр. Это объясняется, в частности, тем, что для указанных отображений справедлива теорема Какутани о неподвиж ной точке.
Пусть |
Q — непустое |
подмножество |
конечномерного |
||||||
пространства X |
я а — отображение множества Q в П |
(Q). |
|||||||
Точка |
х0 |
ЕЕ £2 называется |
неподвижной |
точкой |
отобра |
||||
жения |
а, |
если |
х0 ЕЕ |
а (х0). |
Имеет место |
|
|
|
|
Т е о р е м а |
3.1 |
(С. К а к у т а н и). Пусть |
|
а — |
|||||
замкнутое отображение выпуклого компакта Q |
« |
П (й), |
|||||||
причем для любого х ЕЕ К |
множество а (х) |
выпукло. |
Тогда |
||||||
отображение а имеет неподвижную точку. |
|
|
|
||||||
Доказательство см. Какутани [1], Никайдо [2]. |
|
|
|||||||
4. Полунепрерывные снизу и непрерывные |
(по |
Ка |
кутани) отображения. Наряду с полунепрерывными сверху (замкнутыми) отображениями, рассмотрим ото
бражения, |
полунепрерывные снизу. |
|
|
Xt |
|
||||||||||
|
Пусть |
й х |
и Q 2 |
— подмножества |
пространств |
и |
|||||||||
Х2 |
соответственно. |
Отображение |
a: |
Qa -»- П (Q2 ) |
назы |
||||||||||
вается |
полунепрерывным |
снизу, |
если |
для |
любых |
точек |
|||||||||
х |
ЕЕ |
и у ЕЕ а (х) |
и любой последовательности (хп)(хп |
—> |
|||||||||||
-*~ х, |
хп |
ЕЕ |
& i |
(п |
= |
1, 2, |
...)) |
найдется1 |
последователь |
||||||
ность (уп) |
такая, что уп |
ЕЕ |
а (хп) |
(п |
=' |
1, 2, |
и уп->- |
у. |
|||||||
|
Следующий |
пример |
поможет |
читателю |
уяснить |
раз |
ницу между полунепрерывными снизу и полунепрерыв
ными |
сверху |
отображениями. |
|
П р и м е р . |
Пусть Х х = Хг = Л 1 , Qx |
= й 2 = Л\. Отображе |
|
ние |
ах : |
хфО, |
|
|
|
|
|
|
|
х = |
0, |
полунепрерывно снизу, но не полунепрерывно сверху. Отображе ние а2".
хфО, х = 0,
полунепрерывно сверху, но ие полунепрерывно снизу.
|
|
Э Л Е М Е Н Т Ы Т О П О Л О Г И Ч Е С К О Й Т Е О Р И И |
|
|
65 |
||||||||
|
Имеет |
место |
|
|
|
|
Если |
каждое |
из |
отобра |
|||
|
П р е д л о ж е н и е |
|
3.4. |
||||||||||
жений аг: |
Q x —>- П (Q2) |
и |
а2- |
Й2 |
->• П (й 3 ) (здесь Q2 |
ZD ^2) |
|||||||
полунепрерывны |
снизу, |
то |
и |
отображение |
а2 |
° ах тголг/- |
|||||||
непрерывно снизу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
|
Пусть |
г G |
а, = ад (я) |
и |
|||||||
(хп) |
— последовательность, |
стремящаяся к х. Нам надо |
|||||||||||
указать |
последовательность |
(zn) |
такую, |
что |
zn |
-»- z |
и |
||||||
z„ |
ЕЕ а2 |
о аг (х) |
(п = 1, |
2, |
...). |
Так |
как |
z ЕЕ а2 (ах |
(*)), |
то найдется элемент г/, для которого выполняются соот
ношения |
z ЕЕ а2 (у), |
у ЕЕ % (я). |
Используя |
полуне |
||
прерывность снизу отображения |
найдем |
последова |
||||
тельность |
({/„), |
обладающую тем свойством, |
что |
уп -*-у |
||
и уп ЕЕ % ( x j |
(re = |
1, 2, ...). Используя, далее, |
полуне |
прерывность снизу отображения а2 , найдем последова
тельность (zn ), |
стремящуюся к z и такую, что z n |
ЕЕ а2 (z/n). |
||||||
Очевидно, что |
(zn) — искомая |
последовательность. |
|
|||||
Предложение |
доказано. |
|
|
|
|
|
||
П р е д л о ж е н и е |
3.5. Пусть |
a: Qx ->- П (Й2 ) |
иолу- |
|||||
непрерывное снизу |
ограниченное |
отображение. |
Тогда |
если |
||||
f — непрерывный |
на Qx |
функционал, |
то и функционал |
|||||
Uj\ х —*- sup / (у) |
полунепрерывен |
снизу. |
|
|
||||
Д о к а з а т е л ь с т в о . |
Пусть |
х ЕЕ й х |
и |
(ж„) — |
последовательность точек из Qx , стремящаяся к х. Най дем точку у ЕЕ а (я), для которой выполняется неравенство
Uj |
(х) |
^ . f (у) |
+ |
е, |
где |
е — произвольное положительное |
|||||||||
число. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Воспользовавшись |
теперь |
нолунепрерывностыо |
снизу |
|||||||||||
отображения |
а, найдем |
последовательность |
|
(уп) |
такую, |
||||||||||
что уп->у, |
уп<=а |
(хп). |
Так |
как щ (хп) |
> |
/ (уп), |
|
то |
|||||||
|
|
ЦЩЦ/ |
|
> |
Ит / (уп) |
= |
f(y)> |
Щ (х) |
— е. |
|
|||||
Ввиду произвольности |
|
е |
имеем |
l i m uf |
(хп) |
> |
^ |
(х), что |
|||||||
и |
доказывает |
предложение. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Пусть й х |
— замкнутое |
подмножество |
пространства |
|||||||||||
Хг, |
Q2 — подмножество |
пространства |
Х2. |
Отображение |
|||||||||||
a: Q x -*- П (й2 ) назовем непрерывным по |
Какутани, |
если |
|||||||||||||
оно |
одновременно^ замкнуто |
(полунепрерывно |
сверху) |
иполунепрерывно^снизу.
Из предложений 3.2 и 3.4 следует
3 В. Л . Макаров, A. M. Рубинов
66 Т О Ч Е Ч Н О - М Н О Ж Е С Т В Е Н Н Ы Е О Т О Б Р А Ж Е Н И Я [ГЛ . 1
|
П р е д л о ж е н и е |
3.6. |
Если |
|
каждое из |
отобра |
|||||||||||||||
жений |
ах: |
й х |
П (й2 ) " |
ai' |
|
&2 -»-П (й 3 ) {здесь й 2 3 |
|
й 2 ) |
|||||||||||||
непрерывны, причем |
|
аг |
ограничено, |
то |
и |
отображение |
|||||||||||||||
а2 |
о ах |
непрерывно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Из предложений 3.3 и 3.5 вытекает |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
П р е д л о ж е н и е |
3.7. |
Пусть |
a: |
й х |
|
|
|
П (й2 ) — |
||||||||||||
непрерывное ограниченное |
отображение. |
Тогда |
|
если |
|
} — |
|||||||||||||||
непрерывный на Йх функционал, то |
функционал |
uf. |
|
х-*- |
|||||||||||||||||
|
max / (у) |
непрерывен. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1/еа(я) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Метрика Хаусдорфа. |
Пусть |
а — отображение |
мно |
|||||||||||||||||
жества й х |
в П (й 2 ), г Д е |
^ |
i и |
^2 |
замкнуты. Обозначим через |
||||||||||||||||
П (й) совокупность |
всех |
компактных |
подмножеств |
|
зам |
||||||||||||||||
кнутого |
множества |
й |
и предположим, что а (%) ЕЕ П (й2 ) |
||||||||||||||||||
для любого |
| ЕЕ |
П (их). В |
этом |
случае |
можно |
|
рассмат |
||||||||||||||
ривать а как (однозначный) оператор из П (йх ) |
в П (й2 ) и, |
||||||||||||||||||||
введя в множества П (йх ) и П (й2 ) топологию, |
определить |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
непрерывность а обычным обра- |
||||||||||||||
|
v |
|
|
|
|
|
|
зом (как непрерывность |
|
однозиач- |
|||||||||||
/ |
\ |
^ |
|
^ „ |
|
|
ной |
функции). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
того |
чтобы |
реализовать |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
эту |
программу, |
нам |
понадобится |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ввести |
топологию |
в совокупность |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
компактов. Мы сделаем это с по |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
мощью |
так |
называемой |
|
метрики |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Хаусдорфа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Пусть X — конечномерное про- |
|||||||||||||
|
|
Рис. 12. |
|
|
странство, в |
котором |
введена |
не |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
которая норма, |
S — единичный |
|||||||||||||
шар пространства X, |
|
т. е. S |
= |
{х ЕЕ |
X |
\\\ х || < : 1}, |
й — |
||||||||||||||
замкнутое |
|
множество |
в |
X. |
Для |
|, т) ЕЕ П (й) |
|
положим |
|||||||||||||
|
р (£, |
тО = inf {t |
> |
0 \1 С |
11 + |
tS, |
-п С £ + |
|
|
|
(3.3) |
||||||||||
Нетрудно |
проверить, |
что |
число |
р (|, |
т]) |
удовлетворяет |
|||||||||||||||
следующему |
соотношению |
(рис. 12): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
р (I, |
г)) = |
max (max р (£, у), |
|
max р (ж, т))). |
|
(3.4) |
Проверим, что функция р, определенная на П (Й) X П (й) формулой (3.3), удовлетворяет аксиомам метрики:
§ 3] |
|
|
Э Л Е М Е Н Т Ы Т О П О Л О Г И Ч Е С К О Й Т Е О Р И И |
67 |
|||||||||||||
|
1) |
Р (£, |
л) |
> |
0; р (£, |
л) |
= |
0 |
|
тогда |
и |
|
только тогда, |
||||
когда |
£ = |
г|. В |
самом деле, если |
£ = |
г\, |
то равенство |
|||||||||||
Р (£> л) = |
0 очевидно. Если |
же р (£, |
т]) = |
0, то, |
исполь |
||||||||||||
зуя (3.4), |
получим, |
что |
£ = |
г). |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
2) |
Р (£, |
и) |
= |
р (ц, |
£). |
Это |
равенство |
|
очевидно. |
|||||||
|
3) |
Р ( i , |
D < |
р (£, |
л) |
+ |
р (л. |
О- |
Действительно, по |
||||||||
лагая |
u = |
р (£, т]) и г; = |
р (г], £), получим из (3.3), ис |
||||||||||||||
пользуя компактность множеств |
£, |
т) и |
£, |
что |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
£ С |
г) + |
uS, |
|
л |
С |
£ + |
» 5 , |
|
||||
|
|
|
|
Л С |
£ + |
uS, |
|
£ CZ т) + |
|
vS, |
|
||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
E c £ + (u + » ) S , |
£ с £ + (и + ») 5. |
||||||||||||||
Снова |
привлекая |
|
(3.3), |
имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Р (£, £) < |
" |
+ v = |
р (£, |
л) |
+ Р (л, |
О, |
|
||||||||
что |
и |
требовалось |
доказать. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Таким образом, функция р является метрикой. Обычно |
||||||||||||||||
ее |
называют |
метрикой |
Хаусдорфа. |
Свойства |
метрики |
Хаусдорфа описаны, например, в книге Хадвигера [1].
Мы отметим |
(без |
доказательства) |
справедливость |
следу |
|||||||||||||
ющей |
замечательной |
теоремы. |
|
|
|
Если |
|
множество |
|||||||||
Т е о р е м а |
3.2 |
|
(В. Б л я ш к е ) . |
|
|||||||||||||
Q компактно, то пространство П (Q), снабженное метри |
|||||||||||||||||
кой Хаусдорфа, |
|
также |
компактно. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Приведем |
также |
следующее |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
П р е д л о ж е н и е |
3.8. |
Пусть |
последовательность |
||||||||||||||
компактов |
(£п) |
такова, |
что |
£ n + 1 |
CZ 1 п (п = |
|
1> 2, ...). |
||||||||||
Положим |
£ = |
П£п- |
|
(Заметим, |
что |
|
£ =j= ф.) |
Тогда |
£п |
||||||||
стремится к |
£ (по |
метрике |
Хаусдорфа). |
|
|
|
|
||||||||||
Предположим теперь, что Q = |
X, |
и |
рассмотрим |
подпростран |
|||||||||||||
ство П с |
метрического пространства П (X), |
состоящее из всех выпук |
|||||||||||||||
лых компактных подмножеств X. Согласно теореме 2.6 П с |
как упо |
||||||||||||||||
рядоченное |
полулинейное |
пространство |
изоморфно |
пространству |
|||||||||||||
Р {X*) |
всех |
сублинейных функционалов, |
определенных |
на |
X*. |
||||||||||||
Пусть |
U, V |
е |
Пс . Положим |
р (U, |
V) |
= |
а. |
Тогда, как |
следует |
из |
|||||||
(3.3), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
d |
U |
+ |
aS, |
UCV+ |
|
|
aS, |
|
|
|
|
|
и потому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ру |
< |
Ри |
+ |
aPs> |
Ри |
< |
Pv |
+ |
*Ps. |
|
|
|
С3'5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3* |
68 |
Т О Ч Е Ч Н О - М Н О Ж Е С Т В Е Н Н Ы Е |
О Т О Б Р А Ж Е Н И Я |
[ Г Л . I |
||||||||
(Напомним, что если W е |
П с , |
то |
p w |
— |
|
функционал из |
Р |
(X*), |
|||
определенный формулой pw(f) |
|
= max |
f |
(х).) |
Из неравоисти |
(3.5) |
|||||
вытекает, |
что для всех |
/ (Е |
X* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\Pu |
(f)-Pv |
|
|
U)\<«Psti)- |
|
|
|
|||
Заметим |
теперь, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ps (/) = |
* e s |
/ И |
= |
|M|<i/ ( |
) = |
II / II- |
|
|
||
|
|
m a x |
|
|
m a x |
|
ж |
|
|
|
|
Итак, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\prU)~Pv |
(t)l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щ |
|
< a |
= |
p(tf, |
У) |
(1ф0) |
|
|
||
п потому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
max |
\PvU)~Pv(f)\ |
|
|
<?(U, |
V). |
|
(6.\S) |
|||
|
— : |
jj-rjj |
|
|
|
Покажем, что в формуле (3.6) иа самом деле реализуется равенство.
Действительно, |
если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
max |
\Pu(f)-Pv(f)\ |
|
= P < p ( f f , |
П |
|
|
||||||
|
|
|
т |
I I ' II |
|
|
|
|||||||
|
|
; е х * , 1¥>о |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
то, как |
петрудио |
проверить, |
p v |
< ра |
+ |
p > s , |
р,, |
< p v |
+ p > S i |
|||||
откуда |
V |
С U |
4- |
fiS, |
U С |
V |
+ |
B.S'. |
Из |
определения |
метрики |
|||
Хаусдорфа |
теперь |
следует, |
|
что |
р (U, |
V) |
<1 р, |
что |
невозможно. |
Итак, в формуле (3.6) |
реализуется равенство. Учитывая это обстоя |
||
тельство п используя положительную однородность |
функционалов |
||
рц и p v , получим |
|
|
|
max.\(pu-Pv)(f)\=p{U, |
F ) . |
(3.7) |
|
||/ll=i |
|
|
|
Заметим теперь, |
что, в силу |
положительной |
однородности, |
сублинейный функционал р полностью определяется своими зна
чениями |
на |
единичной сфере 2 * = {/ е X* \ || / || = 1} простран |
ства X*. |
Условимся след этого функционала на единичную сферу |
|
обозначать |
той же буквой р, что и сам функционал; полулинейпое |
упорядоченное пространство всех следов сублинейных функциона
лов на Z* |
обозначим том же символом Р |
(X*), |
что и пространство |
||||||
самих функционалов. Приняв эти соглашения, отметим, что Р |
(X*) |
||||||||
содержится в пространство |
С {Z*) |
всех |
непрерывных |
функции, |
|||||
определенных на Z*; кроме того, формулу (3.7) можно теперь пере |
|||||||||
писать |
так: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
WPU — PVWCW) |
= Р |
v ) - |
|
|
|
|
Итак, |
мы доказали следующее |
|
|
|
|
|
|||
П р е д л о ж е н и е |
3.9. Отображение |
cp: U —* рц |
метриче |
||||||
ского |
пространства |
П с в |
подмножество |
Р |
{X*) |
пространства |
|||
С {?;*) |
является |
изометрией. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Э Л Е М Е Н Т Ы Т О П О Л О Г И Ч Е С К О Й Т Е О Р И И |
|
|
69 |
|||||||||||||
|
Пусть |
теперь |
К |
— выступающий, |
воспроизводящий |
конус |
||||||||||||||
в |
пространстве |
X. |
В |
полулинейном |
пространстве |
ПРт |
(К) |
всех |
||||||||||||
нормальных |
подмножеств |
конуса |
К |
введем метрику |
Хаусдорфа. |
|||||||||||||||
Монотонный сублинейный функционал р, |
определенный иа |
конусе |
||||||||||||||||||
К*, отождествим с его следом иа пересечение SK» |
конуса К* |
и еди |
||||||||||||||||||
ничной сферы Z* |
пространства |
X*. |
|
Полулинейное |
упорядоченное |
|||||||||||||||
пространство всех следов на S K , |
монотонных сублинейных функци |
|||||||||||||||||||
оналов |
обозначим тем же |
символом |
Рт |
{К*), |
что и |
пространство |
||||||||||||||
самих функционалов. Из предложения 2.10 следует, что Рт |
(К*) |
|||||||||||||||||||
содержится в пространстве С |
|
|
всех непрерывных на S K , |
функ |
||||||||||||||||
ций. Рассуждая так же, как и выше, нетрудно проверить, что спра |
||||||||||||||||||||
ведливо |
|
|
|
|
|
3.9'. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
П р е д л о ж е н и е |
Если |
норма |
|] • |
|| монотонна |
(см |
||||||||||||||
п. |
12 § 2), то отображение |
%'•U |
—> Рц метрического |
|
|
пространства |
||||||||||||||
Y\pm (X*) |
в подмножество |
Рт |
(К*) |
пространства |
С |
(SKt) |
является |
|||||||||||||
изометрией. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
6. |
Непрерывность по |
Хаусдорфу. |
Пусть |
й х |
и |
й 2 |
— |
||||||||||||
замкнутые |
множества |
и |
а: |
й г |
—>• П (й 2 ) — |
отображение, |
||||||||||||||
переводящее каждый компакт в компакт. Будем гово |
||||||||||||||||||||
рить, что отображение а непрерывно по Хаусдорфу, |
если |
|||||||||||||||||||
из |
соотношений |
ЕЕ Щ й ^ , |
\п |
-> |
£ (п — 1, |
2, |
...) |
сле |
||||||||||||
дует, |
что |
а &п) |
->- а (I). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Покажем, что отображение а, непрерывное по Хаус |
|||||||||||||||||||
дорфу, является |
непрерывным и по Какутанн, т. е. явля |
|||||||||||||||||||
ется полунепрерывным и сверху и снизу. Проверим сна |
||||||||||||||||||||
чала полунепрерывность сверху. Пусть (хп) |
— последо |
|||||||||||||||||||
вательность точек из й х , хп |
—>- х, уп ЕЕ а {хп), |
|
уп-*- |
у. Так |
||||||||||||||||
как а непрерывно по Хаусдорфу, |
то a (a;n) -»- а (х), |
откуда, |
||||||||||||||||||
используя |
формулу |
(3.4), |
получим |
max |
р (г/, а (х))—> 0. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J/ea(-vn ) |
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку |
уп |
ЕЕ а (хп), |
то и |
р (уп, |
а (х)) |
|
0. |
|
|
|
||||||||||
|
Последнее |
означает, что |
l i m уп |
= |
у ЕЕ а (х). |
Итак, |
а |
|||||||||||||
полунепрерывно сверху. Покажем, что это отображение |
||||||||||||||||||||
полунепрерывно |
снизу. Пусть х ЕЕ й ь |
у ЕЕ а (х), |
хп |
|
х |
|||||||||||||||
(хп |
ЕЕ Й 1 ; |
п = |
1, 2, |
...). Нам |
надо |
найти |
последователь |
|||||||||||||
ность (уп) |
такую, что упЕЕа |
(хп) |
(п |
= |
1, 2, ...) |
и уп |
|
у. |
||||||||||||
Так как а (хп) |
-*- |
а (х), |
то р (г/, а (хп)) |
- v 0, откуда |
следует, |
|||||||||||||||
что последовательность (г/„), где уп ЕЕ а (хп) |
и|| у — уп \\ = |
|||||||||||||||||||
= |
р (у, |
а |
(хп)), |
|
является |
требуемой. |
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, из непрерывности по Хаусдорфу следует непрерывность по Какутаии. Оказывается, что для ограниченных отображений верно обратное утвер ждение.