I HM HÀ NI 2
LI C
Tôi xin chân thành c
15 - TG
tôi hoàn thành khóa lun tt nghip.
-
.
Do thi gian nghiên cu có h tài không tránh khi nhng hn
ch, thiu sót nhnh, kính mong nhc s quan tâm góp ý ca các
thy cô và các b tài nghiên cc hoàn thi
Tôi xin chân thành c
Hà N
L
ng s liu và kt qu nghiên cu trong lu
là trung thc và không trùng lp v
rng mi sc thc hin luc c
thông tin trích dn trong luc ch rõ ngun gc.
Hà N
MC LC
M U
6
9
1.1.
9
1.2.
18
1.3 ging
24
1.4 Sai phân
26
1.5
27
HAI
30
2.1 Phc hai
30
i s c cao
39
41
C HAI
42
42
43
50
54
55
det A
A.
diag( , )MN
im( )A
A.
ker( )A
kA A).
rank ( )At
( ).At
degdet( ( ) ( ))
A t B t
det( ( ) ( )).A t B t
0,1
m
m
0,1 .
6
M U
1. Lý do ch tài
Nhiu
c hi o hàm cp cao nht
n. Mt dng gp
cn là h gm mt (hng
và mt ràng bui s (không cho hàm). ng
c gi là i s.
c mô t b
mt ràng buc ()
(xem, thí d, [7], [8]). Tuy nhi
(cost
Línghiên cu lí
thuy
. Tuy nhiên línói chung không tht phù
hp
thuyt chùm ma trn
bc cao cao
lí
Mc dù mc bu nghiên cu, lít
u xây dng
7
t s nghiên cu mi v c ma trn và ng
di s b
(xem [2], [5]).
Nhm tìm hiu mt v thi s ng dng, tôi ch
tài cho lua mình là
i s tuyn tính.
da theo các bài báo [2]-[5] tính cht rã
m thành m
, 1, 1mm
i sm
hàm mm
2. M nghiên cu
Dc , ln
, s và gii s
tuyn tính .
3. Nhim v nghiên cu
Nghiên cu các v sau:
1. và các c thùi s.
2. và các tính chtc
3. Gii s bài toán giá tr u và bài toán biên ca
tuyn tính na thc .
8
ng và phm vi nghiên cu
; gii
tuyn tính.
5u
Thu thp tài lic, phân tích và tng hp; S dng các
công c ci s tuyn tính, Gii tích, Gii tích hàm và Gii tích s vit
mt lunghiên cu tng quan v t ra.
6. óng góp c tài
Lu mt tài liu tng quan v c ma trn trong nghiên cu
nh i s i s tuyn tính. Hy vng
Lut tài liu tham kho tt cho sinh viên và hc viên cao hc khi
u nghiên ci s.
9
Cc thù ci s tuyn
tính, các í, (matrix
polynomials) -- degree)c
ng cn thit trong
các
1.1
( , ), ,
n
dx
f t x x
dt
( , ),t a b
(1.1.1)
ba tr l
ng kí hio hàm ca hàm s
()xt
tm
t
bi mt trong ba kí
hiu
( ),xt
dx
dt
hoc
( ).xt
c bit ca
( , , ) 0F t x x
khong
c t
( , , ) 0F t x x
c lí thuy
det 0
F
x
trong lân cn nghim
( , , ) 0F t x x
( , ).x f t x
10
, vì mng
u có th dng n
( , , ) 0F t x x
vi
( , , ): ( , ).F t x x x f t x
( , , ) 0F t x x
n tính
( ) ( ) ( ) ( ) ( ),E t x t A t x t f t
( , )t a b
(1.1.2)
det ( ) 0.Et
( , , ) 0F t x x
( , )ab
()xt
trên
( , )ab
sao cho
( , ( ), ( )) 0F t x t x t
trên
( , ).ab
thông qua mt s ví d.
Thí d 1.1.1 Xét h phng trình vi phâi s tuyn tính thun nht vi h
s hng
( ) ( ) 0, , ,Ex t Ax t t a b
(1.1.3)
11
22
( ) ( )
1 2 1 2
0, ,
( ) ( )
0 0 1 2
x t x t
t a b
x t x t
. (1.1.4)
H
12
00
E
vi
det 0,E
vì vy không th (1.1.4) v
dng. Thc cht (1.1.4) là h gm m
trình vi phân (1.1.4a) (cho hàm) và mt ràng bui s (1.1.4b) (không
cho hàm). H (1.1.4) có th vii dng
(1.1.4)
1 2 1 2
12
( ) 2 ( ) ( ) 2 ( ) 0; (1.1.4a)
( ) 2 ( ) 0. (1.1.4b)
x t x t x t x t
x t x t
11
H này có vô s nghim dng
12
( ) 2 ( )x t x t
vi
2
()xt
là mt hàm s bt kì.
a, ta thy
()
()
1
()
2
()
2
( ) , 1,2
()
i
i
i
i
i
xt
t
x t i
xt
t
là nghim ca h (1.1.4) vi mi
1,2 i
, bi vì quan h
( ) ( )
12
( ) 2 ( )
ii
x t x t
c tha mãn vi mi
t
và mi
1,2 i
H vô hn các hàm
()
0
()
i
n
xt
là c lp tuyn tính. Tht vy, ta có
0
()
00
0
2
0
( ) 0 , .
0
i
i
i
ii
ni
ii
i
i
i
ct
c x t c t t a b
ct
Do
0
i
i
t
c
0
: ( ) ; 0,1,
m
i
mi
i
P t a t m
nên suy ra
0 0,1,2
i
ci
Nh vy không gian nghim ca (1.1.4) là vô hn chiu.
Thí d 1.1.1 cho thy, không phi lúc nào không gian nghim c
i s tuyn tính hu hn chiu. m khác
bit ci s tuyn tính so vi h
ng: H ng tuyn tính thun nht dng
( ) ( ) ( )x t A t x t
(1.1.5)
vi
()At
là ma trn vuông cp
nn
có
n
nghic lp tuyn tính,
hay không gian nghim ca h (1.1.5) là hu hn chiu.
Trong ví d này ta có
12
1 2 1 2 1 2( 1)
,
0 0 1 2 1 2
EA
và
det( ) 0 .EA
Cp ma trn
,EA
có tính cht
det( ) 0EA
c gi là cp
ma trn không chính qui. Nu tn ti mt s
sao cho
det( ) 0EA
thì ta nói cp ma trn
,EA
là chính qui.
H (1.1.4) là h i s thun nht dng (vi h s
hng). Tt mt kt qu v không gian nghim ca h
i s vi h s hng.
nh lí 1.1.1 ([6]) Cp ma trn
,EA
là chính qui khi và ch khi không gian
nghim c
( ) ( ) 0Ex t Ax t
là hu hn chia, s
chiu ca không gian nghim bng bc c
det .EA
nh lí này cho thy, tính chính qui ca cp ma trn
,EA
n
trng, nhiu khi là quynh, trong cu trúc tp nghim c
i s vi h s hng.
Thí d 1.1.2 Xét h vi phân tuyn tính thun nht vi h s bin
thiên
10
( ) ( ) 0, ,
0 0 1
t
x t x t t a b
t
(1.1.6)
1 2 1
12
( ) ( ) ( ) 0;
( ) ( ) 0.
tx t x t x t
tx t x t
Ta có
13
0
( ) ( )
0 0 1 1
tt
E t A t
tt
.
Nu
0
thì
det( ( ) ( )) 0 .E t A t
Và (1.1.6) tr thành
12
12
( ) ( ) 0;
( ) ( ) 0.
tx t x t
tx t x t
H trên có duy nht mt nghim
1
( ) 0,xt
2
( ) 0.xt
Tht vy, t phng trình
12
( ) ( ) 0tx t x t
ta có
21
( ) ( ).x t tx t
Suy ra
2 1 1
( ) ( ) ( ).x t tx t x t
Thay vào phng trình
12
( ) ( ) 0tx t x t
ta c
1 2 1 1 1 1
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0.tx t x t tx t tx t x t x t
Vy
1
( ) 0xt
. Suy ra
2
( ) 0.xt
c thù na ci s
i s tuyn tính có th có duy nht nghim không ph thuc gì vào giá
tr u.
Vi
1
thì
(1.1.6)
1 2 1 1
1 2 2 1
( ) ( ) ( ) 0 ( );
( ) ( ) 0 ( ) ( ).
tx t x t x t x t
tx t x t x t tx t
Hn na:
1
( ) 0,1,
i
i
i
t
x t i
t
là nghim ca h và
0
()
i
i
xt
là c lp
tuyn tính. Do nó là c s ca không gian nghim. Nh vy ta thy, không
gian nghim là vô hn chiu mc dù
det( ( ) ( )) 1 0E t A t
.
Vi
1
thì
14
21
1 1 1 1
2 1 2
1
11
( ) ( )
(1.1.6)
( ) ( ( ) ( )) ( ) 0
( ) ( ) ( ) 0
( 1) ( ) 0 ( ) 0
x t tx t
tx t tx t x t x t
x t tx t x t
x t x t
Vy (1.1.6) có duy nht nghim
( ) 0xt
mc dù
det( ( ) ( )) 0 .E t A t
Thí d này cho thy, nh lí 1.1.1 không còn i vi h phng trình vi
phân có h s bin thiên.
Thí d 1.1.3 Xét h i s tuyn tính thun nht vi h
s bin thiên
11
22
( ) ( )
1 0 0
( ) ( )
0 0 1 0
x t x t
t
x t x t
t
(1.1.7)
vi
2
0,1 ; ; ,tx
là các nhiu nh.
Khi
0, 0
thì
11
22
1 2 1
12
( ) ( )
10
(1.1.7) 0
0 0 1
( ) ( )
( ) ( ) ( ) 0;
( ) ( ) 0.
x t x t
t
t
x t x t
tx t x t x t
tx t x t
H này c xét trong Thí d 1.1.2.
Khi
1
thì h có duy nht nghim
( ) 0.xt
Khi
; 0; 0
thì
1 2 1
12
( ) ( ) ( ) 0
(1.1.7)
( ) ( ) ( ) 0
t x t x t x t
t x t x t
15
1 1 1 1
21
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0
( ) ( ) ( )
t x t t x t x t x t
x t t x t
1
11
1
21
21
()
1
( ) ( ) ( 1) ( ) 0
()
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
dx t
dt
x t x t
xt
x t t x t
x t t x t
1
1
11
1
21
2
1
( ) ;
ln ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) .
t
t
x t ce
x t c t
x t t x t
x t t ce
Vi
0t
thì
1
2 1 1
(0) ;
(0) (0).
xc
x c x
Vy vi
1
,
nghim ca (1.1.7) có dng
11
2 1 1
( ) (0) ;
( ) (0) (0) .
t
tt
x t x e
x t tx e x e
Chn
;0
sao cho
12
( ) ; ( )x t x t
. Thí d chn
khi y
0
thì
0
và
1 1 1
.
Suy ra
1
1 1 2 1 1
( ) (0) ; ( ) (0) (0) .
t
tt
x t x e x t tx e x e
Vy ta thy, mc dù
1
rank ( ) rank 1
00
t
Et
không i vi mi
tham s nh
,
và
0
( ) ( )
0 0 1 1
tt
E t A t
tt
,
tc là
16
det( ( ) ( )) ( ) 0 ; 0,E t A t t t
h nghim
12
( , , ), ( , , )x t x t
không tin ti nghim
( ) 0,xt
thm chí
1
( , , )xt
khi
; 0.
Nh vy, nhiu dù nh i s chiu ca
không gian nghim. a, nghim có th không liên tc (không nh)
theo tham s.
m khác bit ci s so v
ng: nghim ca ng liên tc theo
v phi, theo tham s và theo giá tr u.
Thí d 1.1.4 Xét h i s tuyn tính không thun nht
vi h s hng
1 1 1
2 2 2
( ) ( ) ( )
0 1 1 0
, , .
( ) ( ) ( )
0 0 0 1
x t x t f t
t a b
x t x t f t
(1.1.8)
Ta có:
(1.1.8)
2 1 1 1 1 2
2 2 2 2
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( );
( ) ( ) ( ) ( ).
x t x t f t x t f t f t
x t f t x t f t
Nh vy, nu ta ch gi thit
,,f C a b
tc là
f
liên tc nhng không kh
vi thì h (1.1.8) là vô nghim, vì khi y
2
()xt
không tn ti. h có nghim
(c n) ta phi t iu kin, thí d, khá thô thin, là
2
2
,.f C a b
Thí d 1.1.5 Xét h i s tuyn tính không thun nht
vi h s bin thiên
1 1 1
2 2 2
( ) ( ) ( )
1 1 0
.
( ) ( ) ( )
0 0 1
x t x t f t
t
x t x t f t
t
(1.1.9)
17
Ta có:
(1.1.9)
1 2 1 1
1 2 2
( ) ( ) ( ) ( );
( ) ( ) ( ).
tx t x t x t f t
tx t x t f t
H thun nht
1 2 1
12
( ) ( ) ( ) 0
( ) ( ) 0
tx t x t x t
tx t x t
có nghim là (xem Thí d (1.1.2)):
1
1
21
( ) ;
( ) ( ).
x t C
x t tx t
i vi h (1.1.9) ta có:
1 2 1 1
2 2 1
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
tx t x t x t f t
x t f t tx t
1 2 1 1 1 1
2 2 1
( ) ( ( ) ( ) ( )) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
tx t f t tx t x t x t f t
x t f t tx t
Suy ra
21
( ) ( ).f t f t
y, h (1.1.9) gic (có nghim) khi và ch khi v phi ca phng
trình (1.1.9) tha mãn iu kin
21
( ) ( ).f t f t
Vi iu kin này h có vô s
nghim dng
1
1
2 2 1
( ) ;
( ) ( ) ( ).
x t C
x t f t tx t
Kt lun Nhng ví d yi s là dng
n hay thuc lp t không chnh. Vì vy nghiên
cu i s t nhiu so vi nghiên c
ng. Ngay c các v v tn ti, duy nht nghi
nhng câu h m bng phi có
18
nhng iu kin ràng buc nht nh, gi là u kihícht lên hai
v ca phng trình u kiu.
Khác vng, cu trúc tp nghim ca h phng
trình vi phâi s có h s bin thiên phc tp hn rt nhiu so vi trng
hp h s hng.
i vi png tuyn tính không thun nht,
không gian nghim luôn hu hn và không ph thuc vào v phi. Vi
i s, tính cht s chiu hu hn ca không gian
nghim liên quan cht ch vi tính gic ca h không thun nht.
Nhiu nh ca h i s tuyn tính có th s i
chiu ca không gian nghim, thm chí ngay c ng hp
rank ( ) Et
i theo thi gian
.t
Tc là cu trúc nghim ca
nh theo tham s.
Nghiên ci s, ngay c ng hp
h tuyn tính, là m tài thú v. n rt nhiu bài toán
khác (Lí thuyt nh nghim ci su khin
t mô t bi s).i là
ma Lu t mthông qua mt s ví d,
làm rõ mt s c thù ci s.
Có th tham kho lí thuyi s qua các sách chuyên
kho, thí d, [6], [7
1.2 lí
gii h i s tuyn tính hay h n
tính, ng tng quát v các h n thông qua phép bin
i ma trn. gii h i s tuyn
19
i bii s tuyn tính tng quát v
dng gic nh phép bii ma trn. Mc này trình bày các kin th
bn nht v bii ma trn cn thi
.2.1 (xem [6], tr. 35)
nn×
[0,1]
m
()rankA t k const
0,1 .t
0,1t
nn×
[0,1]
m
0
( ) ( ) ( ) ( ,0) ,
00
k
k
nn
E
P t A t Q t diag E
(1.2.1)
k
E
.kk×
V
( ), ( ),A t B t
( ) ( )A t B t
( ) ( )A t B t
(matrix pencil).
.2.1 (xem [6], tr. 52)
( ) ( )A t B t
(rank - degree)
rank ( ) degdet( ( ) ( )) const,A t A t B t k
0,1 .t
(1.2.2)
T7], [8
.
( ) ( )A t B t
-xem [6],
tr. 47-52)
0,1t
()Pt
()Qt
( )( ( ) ( )) ( ) diag( ,0)+diag( ( ), ),
k n k
P t A t B t Q t E J t E
20
( ) 0
0
0
00
k
nk
Jt
E
E
( ) 0
.
0
k
nk
E J t
E
(1.2.3)
( ) ( ) ( ),A t B t C t
0,1 ,t
(1.2.4)
( ), ( ), ( )A t B t C t
,nn×
còn
.
1.2.2 ([2 n
(i)
( ), ( )A t B t
()Ct
nn×
hàm
[0,1]
m
;
(ii)
rank ( ) ,A t k const
0,1 ;t
(iii)
rank{ ( )| ( )} ,A t B t k l const
0,1 ;t
(iv)
0
det( ( ) ( ) ( )) ( ) ,
kl
A t B t C t a t
0
( ) 0,at
0,1 .t
,
0,1t
()Rt
()St
nn×
[0,1]
m
sao cho
( )( ( ) ( ) ( )) ( )R t A t vB t C t S t
1 2 1 2
34
0 0 ( ) 0 ( ) ( ) ( ) 0
0 0 0 0 0 ( ) ( ) 0 ,
0 0 0 0 0 0 0 0
k
l
n k l
E J t J t C t C t
E C t C t
E
(1.2.5)
,
kl
EE
n k l
E
, , ;k l n k l
12
,JJ
, 1,2,3,4
i
Ci
.
21
Do ma t
()At
(ii)nên
1.2.1,
[0,1]t
()Pt
()Qt
sao
cho
0
( ) ( ) ( ) diag( ,0) .
00
k
k
nn
E
P t A t Q t E
Suy ra,
( , , ) ( )( ( ) ( ) ( )) ( )t P t A t B t C t Q t
( ) ( )P t A t
()Qt
+
( ) ( ) ( )vP t B t Q t
+
( ) ( ) ( )P t C t Q t
11 12 11 12
21 22 21 22
( ) ( ) ( ) ( )
0
( ) ( ) ( ) ( )
00
k
B t B t C t C t
E
B t B t C t C t
11 11 12 12
21 21 22 22
( ) ( ) ( ) ( )
,
( ) ( ) ( ) ( )
k
E B t C t B t C t
vB t C t B t C t
(1.2.6)
11 11
,BC
,kk
22
B
22
C
( ) ( ),n k n k
12
B
12
C
()k n k
21
B
21
C
( ) .n k k
n.6) theo k
1
1 22 22
det ( , , ) det ( )( ( ) ( )det( ( ) ( ))det ( ).
kk
k
t P t l t l t B t C t Q t
Theo g
22 22
( ) ( )B t C t
,.3
1
P
1
Q
( ) ( )n k n k
1 22 22 1
( )( ( ) ( )) ( ) diag( ,0) diag( ( ), )
( ) 0
0
.
0
00
l n k l
l
n k l
P t B t C t Q t E m t E
mt
E
v
E
(1.2.7)
22
Nhân
21
1
0
diag( , ( ))
0 ( )
k
k
E
Q E Q t
Qt
(1.2.6) t bên phi,
2
( , , ) ( )t Q t
=
11 12 11 12
21 22 21 22 1
( ) ( ) ( ) ( ) 0
0
( ) ( ) ( ) ( ) 0 ( )
00
k
k
B t B t C t C t E
E
B t B t C t C t Q t
11 12 1 11 12 1
21 22 1 21 22 1
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
0
.
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
00
k
B t B t Q t C t C t Q t
E
B t B t Q t C t C t Q t
(1.2.8)
Nhân
21
1
0
diag( , ( ))
0 ( )
k
k
E
P E P t
Pt
(1.2.8) t bên trái
22
( ) ( , , ) ( )P t t Q t
=
11 12 1 11 12 1
1 21 22 1 21 22 1
0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
0
,
0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
00
k
k
E B t B t Q t C t C t Q t
E
P t B t B t Q t C t C t Q t
hay
11 12 1 11 12 1
22
1 21 1 22 1 1 21 1 22 1
0
( ) ( , , ) ( ) .
00
k
B B Q C C Q
E
P t t Q t
PB PB Q PC PC Q
toàn Lu
t.
11
()Bt
11
B
.
(1.2.7
11 12 13 11 12 13
21 21 22
31 31
00
0 0 0 0 0 ,
0 0 0 0 0 0
k
l
n k l
E J J J l l l
J E l l
J l E
(1.2.9)
1.2.5),
(iii)
31
J
bng 0.
23
Nhân
3 21
31
00
0
0
k
l
n k l
E
Q J E
lE
(1.2.9) t bên ph
11 12 13 11 12 13
21 21 22 21
31 31 31
0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
kk
ll
n k l n k l
E J J J l l l E
J E l l J E
J l E l E
11 21 12 13 31 12 13
31
00
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
k
l
E J J J J l J J
E
J
11 12 21 13 31 12 13
21 22 21 22
0.
00
n k l
l l J l l l l
l l J l
E
(1.2.10)
Nhân
12 13
3
00
00
k
l
n k l
E J l
PE
E
t bên trái ca (1.2.10
12 13 11 21 12 13 31 12 13
31
00
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0
kk
ll
n k l
E E J l J J J J l J J
EE
EJ
12 13 11 12 21 13 31 12 13
21 22 21 22
0 0 0
0 0 0 0
k
l
n k l n k l
E J l l l J l l l l
E l l J l
EE
hay
11 21 12 13 31 31 13 13
31
0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
k
l
E J J J J l J l J
E
J
24
11 12 21 13 31 12 21 12 12 21
21 22 21 22
0
0.
00
n k l
l l J l l J l l J l
l l J l
E
RS
32
R P P P
S = Q Q
2
Q
3
P, P
2
, P
3
,
Q, Q
2
3
trong .
y B
1.3 ging
( ) ( , ( )),x t f t x t
0,1t
(1.3.1)
0
(0) ,xx
(1.3.2)
( , ( ))f t x t
n f
: 0,1 .
n
D
n
0,1
thành
N
phn vu
1
:h
N
01
0 1
N
t t t
vi
, 1,2, , .
i
t ih i N
Kí hiu giá tr ca nghim cm
i
t
là
.
ii
x x t
k
1 1 1
00
( , )
kk
j i j j i j i j
jj
x h f t x
(1.3.3)
i dng minh:
0 1 1 1 0 1 1 1 1 1
( , ) ( , ) ( , ) ,
i i k i k i i i i k i k i k
x x x h f t x f t x f t x
25
Vi
1k
ta có:
0 1 1 0 1 1 1
( , ) ( , ) .
i i i i i i
x x h f t x f t x
ng quát hóa ca n mc.
Vi
0 1 1 0
1, 1
ta có pn
1
( , ).
i i i
x hf t x
ca
x
ti thm
1i
t
c tính trc tip theo
giá tr ca
x
ti thm
i
t
nh giá tr hàm s
( , ).
ii
f t x
Bit giá tr u
00
,x t x
ta lc các giá tr
12
, , , .
N
x x x
Vì v
Euler tin là n.
Vi
0 0 1 1
1, 0
ta có ng pháp Euler lùi
1 1 1
( , ).
i i i
x hf t x
dng thông tin tm cui
1
,
i
t
vì vy nói chung
n. Tuy nhiên, giá tr ca
x
ti th im
1i
t
c tính bng cách gii m n
1
( ) ( , ) 0,
i
x x hf t x
thí d, b-Raphson. Vì vy,
n.
Vi
0 1 0 1
1
1, 0,
2
ta có hình thang
1 1 1
( , ) ( , ) .
2
i i i i i
h
x f t x f t x
n.
y, ta thc là tt
c, cha khá nhi t.
Vi
0,i
công thc (1.4.3) có dng: