Содержание

Введение

Глава 1. Неравенство Маркова на индексационных классах

§ 1. Экстремальная задача

§ 2. Свойства отображения

§ 3. Доказательство теоремы

Глава 2. О чебышевской экстремальной задаче на [0, Ґ)

Литература

Введение

В работе вводится понятие индекса функции на [0,Ґ) относительно произвольного класса F функций на [0, Ґ), основанное на сравнении двух функций через количество перемен знака их разности. С помощью понятия индекса аксиоматически определяется индексационный класс F. На индексационных классах изучается конечная проблема моментов.

Определение 1. Скажем, что функция D(t), tОR1, имеет k строгих перемен знака, если существуют множества A1<A2<…<Ak+1, такие, что

а) ;

б) знаки функции D(t) на множествах A1, A2, …, Ak+1 перемежаются.

Пусть f(t) и g(t) – функции на R1. Пишем , если функция D=g-f имеет k-1 строгих перемен знака, причем на последнем множестве строгого знакопостоянства она отрицательна.

Нетрудно видеть, что отношение выполнено тогда и только тогда, когда

а) не существует точки x1, …, xk (-Ґ<x1<…<xk<Ґ) такие, что

(-1)k-i f(xi) > (-1)k-i g(xi), ;

б) существуют точки y1, …, yk (-Ґ<y1<…<yk<Ґ) такие, что

(-1)k-i f(yi) > (-1)k-i g(yi), .

Пусть F – некоторый класс непрерывных слева функций на [0, Ґ) и f, g О F.

Определение 2. Пишем , если для любой функции hОF, h№g, выполнено одно из отношений: , , , . Пишем , если для любой функции hОF, h№f, выполнено одно из отношений: , ,, .

Функция f имеет индекс k- в F, если выполнено отношение и не выполнено . Функция g имеет индекс k+ в F, если выполнено и не выполнено .

Через Ik- (Ik+), kі1, обозначим совокупность всех функций с индексом k- (k+) в F.

Пусть U – семейство функций на [0, Ґ).

Через FU обозначим множество функций fОF, для которых интегралы

, uОU,

абсолютно сходятся.

В случае положим , fОFU, AМFU, :

, Fi(A)={Fi(f): fОA},

, ,

.

Множество называется моментным пространством класса F относительно системы функций .

Лемма 1. Пусть системы u1(t), …, un(t) и u1(t), …, un(t), un+1(t) образуют T+-системы на [0, Ґ) такие, что . Тогда отношение невозможно для и, если , то

.

Доказательство. Допустим, что , где kЈn, и A1, …, Ak – множества строгого знакопостоянства функции D=g - f. Для векторов рассмотрим матрицу

.

Так как

, ,

то есть

, (1)

где di(-1)k-i, и di=0, для всех векторов .

Из (1) следует, что detH()=0 для любых . С другой стороны, применив k раз теорему о среднем к H(), получим

, (2)

где 0Јx1<x2<…<xk<Ґ. Так как векторы линейно зависимы, то их можно дополнить до системы линейно независимых векторов . Из (2) получаем .

Пусть теперь и .

Так как

, (3)

где di=(-1)n+1-i, , то

,

где H – матрица, записанная в (3) слева, - матрица, получаемая из H удалением (n+1)-ых строки и столбца. Применив теорему о среднем, получаем detH>0, . Вместе с равенством dn+1=1 это означает, что d>0.

Определение 3. Скажем, что последовательность {fi}iі1 функций на [0, Ґ) относительно класса U слабо сходится к функции f , если

для всех uОU.

Определение 4. Множество AМFU назовем (k, U) окрестностью функции f в F, если fОA и множество А имеет вид , где V открыто, при , при .

Множество AМFU назовем (k, U)-открытым, если каждая функция fОA имеет (k, U) окрестность, состоящую из функций множества А.

Определение 5. Класс F непрерывных слева, неотрицательных функций на [0, Ґ) назовем нижним U-индексационным с дефектом n, если:

1. Класс F равномерно ограничен, то есть существует L>0, такое, что f(t)ЈL при tі0, fОF;

2. ;

3. Множества Ik- (k-1, U) – открыты для всех k>n+1;

4. Из любой последовательности {fi}iі1МI-k+1 (k>n) такой, что

,

можно выделить подпоследовательность, слабо относительно класса U сходящуюся к некоторой функции .

Пусть система образует T+ - систему на [0, Ґ).

Рассмотрим систему функций , такую, что wi=ui для и - T+ - системы для mіn (см. [1]).

Теорема 1. Пусть система образует T+ - систему на [0, Ґ), F-нижний W-индексационный с дефектом n класс функций на [0, Ґ). Тогда

.

Доказательство. Пусть . Согласно условию 2 определения индексационного класса, существует последовательность {fj}jі1МIk- такая, что . Зафиксируем произвольное fl.

Если flОIk-, где kЈn+1, то положим fl*=fl.

Пусть k>n+1 и s={} – (k-1, W) окрестность fl в Ik-.

Рассмотрим произвольные и . Допустим, что . Согласно лемме 1, отношения и невозможны для sЈk-1. Следовательно, и , что невозможно.

Таким образом, отображение непрерывно и взаимно однозначно. Из принципа инвариативности области (см. [3]) следует, что - открытое множество в Rk-1, содержащее .

Пусть , и - многочлен по системе , имеющий k-2 нулей x1, …, xk-2. Условие bk-1=0 противоречит чебышевости системы . Положим bk-1>0. Тогда (см. [5]) P(t)>0 при t>xk-2.

Имеем

,

где cli – i-ая компонента вектора , и, следовательно,

.

Так как константа К не зависит от f, то ml >-Ґ.

Кроме того, .

Возьмем последовательность , такую, что

Fk-1(flp)>Fk-1(flq)=ml при p<q и

,

Рассмотрим произвольные flp и flq, где p<q. Так как , то отношения и невозможны для sЈk-2. Отношения и невозможны, так как flp, flqОIk-. Из леммы 1 получаем .

Так как , то найдется функция , такая, что Fk-1(fl’)=ml.

Отношение fl’ОIk- невозможно, в силу определения числа ml и принципа инвариативности области. Отношения fl’ОIm- для m<k-1 невозможны, так как . Следовательно .

Продолжая таким образом, через k-n-2 шагов получим функцию , такую, что . Из условия следует утверждение теоремы 1.

Замечание 1. Класс F непрерывных слева, неотрицательных функций на [0, Ґ) назовем верхним U-индексационным с дефектом n, если:

1. Класс F равномерно ограничен;

2. ;

3. Множества Ik+ (k-1, U) – открыты для всех k>n+1;

4. Для k>n из любой последовательности {fi}iі1МIk+ такой, что

,

можно выделить подпоследовательность, относительно класса U слабо сходящуюся к некоторой функции ;

5. Ik+МFU для kіn+1.

Теорема 2. Пусть система образует T+-систему на [0, Ґ), F-верхний W-индексационный с дефектом n класс функций на [0, Ґ). Тогда

.

Определение 6. Систему непрерывных на [0, Ґ) функций назовем T+1-системой, если она является T+-системой, и, кроме того, системы u1, …, ul-1, ul+1, …, un также являются T+-системами для .

Лемма 2. Пусть - T+1-система на [0, Ґ), функции f и g таковы, что

(-1)n-i Fi(f) і (-1)n-i Fi(g), .

Тогда отношения , и , , невозможны.

Доказательство. Допустим, что имеет место отношение и 1ЈpЈn.

Пусть x1, …, xp-1 (-Ґ<x1<…<xp-1<Ґ) – точки перемен знака функции ; xо=-Ґ, xn=Ґ; . Выберем точки xn-1<xn-2<…<xp<xp-1 так, чтобы , , . Рассмотрим систему равенств

, (4)

где hi=±1. Из условия следует, что hn=1. С другой стороны, из (4) получаем

,

где А – матрица, записанная в (4) слева, Ani – матрица, получаемая из А удалением i-ой строки и n-го столбца. Так как - T+1-система на [0, Ґ), то detA>0, detAni>0, . Следовательно, hnЈ0. Получили противоречие.

Случай , , рассматривается аналогично.

Теорема 3. Пусть - T+1-система на [0, Ґ), F-нижний W-индексационный с дефектом n класс функций на [0, Ґ). Тогда

.

Доказательство. Пусть . Возьмем последовательность векторов так, чтобы при и

для , jі1.

Согласно теореме 1, для любого найдется последовательность такая, что .

Существует j1, такое, что , где r - какая-либо метрика в Rn, и

, .

Выберем j2 так, чтобы и

, .

Продолжая таким образом, получим последовательность такую, что и

(5)

Рассмотрим произвольные и . Отношения и для k>n невозможны, в силу условий .

Из неравенств (5), в силу леммы 2, имеем

,

т. е. существует функция такая, что . Включение противоречит условию , в силу принципа инвариативности области.

Из произвольности следует утверждение теоремы 2.

Глава 1 Неравенство Маркова на индексационных классах

§ 1 Экстремальная задача

Пусть В – некоторый класс функций распределения (ФР) на [a, b], -Ґ<a<b<Ґ; W(t) – (n+1) раз непрерывно дифференцируемая функция на [a, b], причем W(k)(t)>0 для tО[a, b] и ; c1, …, cn – вещественные константы; xО[a, b].

Экстремальная задача. Найти супремум и инфимум интеграла

на множестве ФР из В, удовлетворяющих ограничениям

, .

Для классов Вo - всех ФР на [a, b] и ВL – ФР на [a, b], удовлетворяющих условию , -Ґ<x<y<Ґ, задача решена в [1].

Важность решение экстремальных задач на разных классах ФР обоснована, например, в [1 - 5].

Задача при x=b решена в [4] для мажоризационных классов.

Анализ задачи на мажоризационных классах в общем случае наталкивается на трудности. Выход мы видим в рассмотрении классов с иной структурой – индексационных классов ФР.

Ниже предполагается, что В - индексационный с дефектом n класс ФР на [a, b]. Определение индексационного с дефектом n класса приведено в [5]. Индексационными являются многие важные классы ФР, например, Вo, BL, класс унимодальных ФР на [a, b] и др.

Обозначим (kі1, AМВ, sОВ): Ik+ (Ik-) –множество всех ФР из В, имеющих индекс k+ (k-); ; - пространство моментов порядка k; ; ; , .

Основной результат работы содержится в утверждении.

Теорема. Пусть , . Тогда:

,

,

,

.

§ 2 Свойства отображения

Нам понадобятся два факта из [6].

1. Для любого существует и единственная ФР .

2. Если , то множество одноэлементно. Если , то существуют непрерывные, однопараметрические семейства (т. е. при и (значок Ю обозначает слабую сходимость)) и ФР такие, что ,, , для aО(0,1) и для bО(0,1).

Пусть и , где , xО[a, b].

Функция Бs непрерывна слева на [a, b] и Бs(a)=0 для всех sОВ. Так как W(t)>0 при tО[a, b], то Бs(x) не убывает по x.

Далее, из skЮs при k®Ґ следует БЮБs. Следовательно, семейства распределений {Б} и {Б} непрерывны.

Определение 1. Функция f имеет на [a, b] m строгих перемен знака, если существуют множества B0(f)<…<Bm(f) (под X<Y (X, YМR1) понимаем x<y для всех xОX, yОY) из [a, b] такие, что (-1)j f(x)>0 (или (-1)j+1f(x)>0 при xОBj(f), и f(x)=0 при .

Лемма 1. Для любого распределения Б (Б) и для любого Бm, , функция Бm - Б(Бm - Б) имеет либо n+1, либо n+2 строгих перемен знака на [a, b].

Доказательство. Предположим, что функция Бm - Бимеет более n+2 строгих перемен знака. Тогда существуют a<x0<x1<…<xn+3Јb такие, что (-1)i [Бm -Б] > 0, . Кроме того, Бm(a)=Б(a)=0. Следовательно, существуют точки y0О[a, x0), y1О[x0, x1), …, yn+3О[xn+2, xn+3) такие, что функция (-1)i [m(t) - ha(t)] возрастает в точке yi, , что противоречит условию .

Равенство запишем в виде

Бs(t)=ci, ,

где , , с0 = 1.

Очевидно, что последовательности u0, …, uk, , образуют T+ - системы на [a, b]. Из условия W(k)(t)>0 для tО[a, b] и следует (см. [1]), что последовательности –u0, …,-uk , также образуют T+ - системы. Следовательно, выполнены условия мажоризационной теоремы (см. [4]) и функция Бm - Бне может иметь n+1 строгих перемен знака.

Пусть функция f(t) имеет k строгих перемен знака на [a, b]. Наряду с множествами Bi(f) строгого знакопостоянства рассмотрим множества P0(f)=(-Ґ, infB1(f)], Pi(f)=[supBi-1(f), infBi+1(f)],

, Pk(f)=[supBk-1(f), +Ґ).

Зафиксируем ФР . Рассмотрим два класса функций

{Da=Бs - Б:aО[0,1]} и {db=Бs - Б:bО[0,1]}.

Число a (число b) назовем: параметром первого типа, если функция Da (db) имеет n+2 строгих перемен знака (в этом случае на последнем множестве строго знакопостоянства функция Da (db) отрицательна (положительна)); параметром второго типа, если функция Da (db) имеет n+1 строгих перемен знака, причем на последнем множестве строгого знакопостоянства она отрицательна; параметром третьего типа, если функция Da (db) имеет n+1 перемен знака, причем на последнем множестве строгого знакопостоянства она положительна.

Каждому aО[0,1] (bО[0,1]) сопоставим набор из n+3 множеств X0(a), …, Xn+2(a) (Y0(b), …, Yn+2(b)) следующим образом. Если a (b) есть:

параметр первого типа, то

Xi(a)=Pi(Da), (Yi(b)=Pi(db), );

параметр второго типа, то

Xi(a)=Pi-1(Da), , X0(a)=(-Ґ, infB0(Da)],

(Yi(b)=Pi(db), , Yn+2(b)=(supBn+1(db), +Ґ));

параметр третьего типа, то

Xi(a)=Pi(Da), , Xn+2(a)=[supBn+1(Da), +Ґ)),

(Yi(b)=Pi-1(db), , Y0(b)=(-Ґ, infB0(db)]).

Таким образом:

(-1)n-iDa(t)Ј0 при tОIntXi(a), , (1)

(-1)n-idb(t)і0 при tОIntYi(b), .

При этом ни для какого i не существует интервала X, для которого выполнено строгое включение XЙIntXi(a) и (-1)n-iDa(t)Ј0 при tОX. Ни для какого i не существует интервала YЙIntYi(b) и (-1)n-idb(t)і0 при tОY.

Заметим также, что Xi(0)=Yi+1(0), Xi+1(1)=Yi(1).

Определение 2. Отображение Z(g): gО[0, 1]®Z(g)МR1 непрерывно, если из gi®g0, xi®x0, где g0, gi О[0, 1], xiОZ(gi), iі1, следует x0ОZ(g0).

Лемма 2. Отображения Xi(a), Yi(b), непрерывны.

Доказательство. Пусть aj®a, j®Ґ. Обозначим через границы отрезка Xi(aj). Определим a0=-Ґ. Возьмем произвольную точку a1 сгущения последовательности {a1(j)}jі1. Пусть для удобства . Проделаем ту же операцию с последовательностями {ai(j)}jі1, и {bi(j)}jі1, . Положим bn+2=+Ґ.

Итак,

, , (2)

причем -Ґ=a0<a1Јb0Јa2Јb1Ј…Јan+1ЈbnЈan+2Јbn+1<bn+2=+Ґ.

Из (1) и (2) следует, что для .

(-1)n-iDa(t)Ј0 (3)

при tО(ai, bi), если ai№bi.

Из (3) и следует, что ai№bi, , так как в противном случае функция Da имело бы не более n строгих перемен знака, что противоречит лемме 1. Отсюда и из определения Xi(a) следует [ai, bi]МXi(a),. Для любого i из xjО[ai(j), bi(j)] и xj®x0 вытекает, что x0О[ai, bi]. Следовательно, x0ОXi(a).

Непрерывность отображений Yi(b) доказывается аналогично.

§ 3 Доказательство теоремы

В случае утверждение теоремы очевидно.

Пусть .

Лемма 3. Для любого ФР и любой точки xО[a, b] существует ФР такая, что Бv(t)іБs(t) (Бv(t)ЈБs(t)) в некоторой окрестности точки x.

Доказательство. Если не существует такого i, 0ЈiЈn+2, что n-1 четно и xОYi(0), то в некоторой окрестности точки x имеет место d0Ј0. В этом случае положим .

Пусть существует i такое, что n-i четно и xОYi(0).

Случай I, i№n+2. a) Предположим, что xПYi(1). Пусть . Согласно лемме 2, xОYi(bў). В силу сделанного предположения, bў<1 и, следовательно, существует последовательность {bj}jі1 такая, что xОYi(bj) и bj®bў. Пусть для некоторого bl не существует такого k, что n-k четно и xОYk(bl). Тогда в некоторой окрестности точки x. В этом случае полагаем . Если же для всех bj, jі1, существует kj такие, что n-kj четны и , то существует m, m№i, такое, что n-m четно и xОYm(bj) для бесконечного числа элементов последовательности {bj}. По лемме 2 xОYm(bў). Так как n-i и n-m четны, то m№i-1, m№i+1. Вместе с m№i это противоречит включению xОYi(bў).

б) Предположим, что xОYi(1)=Xi+1(1). Пусть aў=inf{a:xОXi+1(a)}. Согласно лемме 2, xОXi+1(aў). Если aў=0, то xОXi+1(0)=Yi+2(0). Это противоречит условию xОXi+1(aў). Поэтому aў№0 и дальнейшее рассмотрение аналогично приведенному в а).

Случай II, i=n+2. а) При x№Yn+2(1) доказательство аналогично доказательству пункта а) случая I.

б) Пусть xОYn+2(1). Так как Yn+2(1)МYn+1(1), то xОYn+1(1). Точка x не может совпадать с левым концом отрезка Yn+1(1), так как в этом случае множества Yn+1(1) и Yn+2(1) совпадают, что невозможно. Так как xОYn+1(1) и не совпадает с левым концом отрезка Yn+1(1), то d1(t)Ј0 в некоторой окрестности точки x. В этом случае полагаем .

Итак, доказано существование такой ФР , что Бs-БnЈ0 в некоторой окрестности точки x. Случай Бs-Бnі0 рассматривается аналогично.

Теорема следует из леммы 3 и утверждения:

Бs(x) и Бs(x+0) достижимы. Докажем последнее.

Пусть d=Бs(x) . Пусть последовательность ФР , iі1, такова, что Б. Выберем подпоследовательность последовательности {si}, слабо сходящуюся к некоторой ФР . Покажем, что Бs(x)=d. Для произвольного e>0 выберем xў<x такое, что Бs(x)-Бs(xў)<e¤2 и xў- точка непрерывности Бs. Существует номер N такой, что для любого j>N выполнено неравенство ЅБ(xў)-Бs(xў)Ѕ<e¤2, из которого следует, что Бs(xў) - Б(xў)<e, j>N. Так как Б(xў) Ј Б(x), то Бs(x) - Б(x)<e, откуда следует Бs(x) - dЈe. Последнее неравенство влечет Бs(x)=d.

Глава 2 О чебышевской экстремальной задаче на [0, Ґ)

В настоящей работе на конкретных классах функций распределения (ФР) даны два подхода к решению чебышевской экстремальной задачи на [0, Ґ).

Чебышевская экстремальная задача. Пусть В - выпуклый класс ФР на [0, Ґ), системы u0є1 на [0, Ґ) функций образуют T+-системы на [0, Ґ).

Положим (1ЈiЈn, sОВ):

, ,

- моментное пространство класса В относительно системы .

Пусть .

Найти , где .

10. Первый подход заключается в урезании справа класса В в точке x>0, наложении условий, при которых задача на «урезанном» классе Вх решается, и в переносе предельным переходом x®Ґ решения на класс В.

Для любого x>0 введем подкласс класса В: Вх={sОВ:s(x+0)=1}.

Очевидно, для любых x1<x2

(1)

Предположим, что для любого x>0 Вх - индексационный с дефектом n класс ФР на [0, x] ([5]).

Примерами таких классов служат: класс всех ФР на [0, Ґ), класс ФР вогнутых на [0, Ґ),класс ФР s на [0, Ґ), удовлетворяющих при 0Јx<y<Ґ неравенству , L>0 и т. д.

Перечисленные выше классы являются нижними индексационными ([2]), т. е. для них выполнено включение

(-замыкание множества XМRn),

где Ii- - множество всех ФР, имеющих индекс i- в В.

Кроме того, для этих классов справедливо включение , и следовательно,

(2)

Лемма 1. .

Доказательство. Пусть . Из выпуклости множества следует, что точка является внутренней точкой некоторого (n+1)-мерного симплекса, лежащего в , т. е. существуют векторы , и числа l1>0, …, ln>0, ln+1>0 такие, что .

Из (2) следует существование последовательностей , таких, что

.

Тогда для достаточно больших k выполнено равенство

,

где , .

Следовательно, .

Из леммы 1 следует, что для достаточно больших x. Так как класс Вx является индексационным на [0, x], то ([5])

,

,

где , () – ФР с нижним (верхним) индексом n+1 в классе Вx.

Так как ФР имеет индекс (n+1)- в В и , то

.

Из (1) следует, что

.

Вид экстремальных ФР и для рассматриваемых классов имеется в [5].

20. Второй подход продемонстрируем на примере класса В0 всех ФР на [0, Ґ).

Лемма 2. Если u0, u1, …, un – T+-система на [0, Ґ), то для всех i и j существуют пределы .

Доказательство. Из определения T+-системы следует, что для произвольных i, j и чисел a, b функции uj(t) и auj(t)+buj(t) обращаются в нуль более, чем в n+1 точках.

Пусть х – наибольшее решение уравнения uj(t)=0. Рассмотрим уравнение

auj(t)+buj(t)=0, t>x. (3)

Уравнение (ui(t)№0, t>x) имеет не более (n+1) решений на (x, Ґ) при любых a, b.

Пусть , .

Допустим, что не существует, т. е. А<B.

Введем последовательности {ti}iі1, {ti}iі1, удовлетворяющие условиям:

а) tk®Ґ, tk®Ґ при k®Ґ;

б) , ;

в) t1<t1<t2<t2<…<tm<tm<… .

Пусть cО(A, B).

Из-за непрерывности функции на (x, Ґ) уравнение

имеет бесконечное множество решений на (x, Ґ).

Выберем 0Јj0Јn так, чтобы для всех и обозначим .

Пусть число t0 таково, что при t>t0.

Рассмотрим функцию

Пусть , , .

Легко видеть, что системы v0, v1, …, vn и v0, v1, …, vn, W являются T+-системами на [0, Ґ).

Предположим, что эти системы являются T+-системами также на [0, Ґ], т. е. для любых 0Јt0<t1<…<tn-1<tn<Ґ

, ,

где .

Через обозначим множество ФР sОВ0, для которых интегралы , , абсолютно сходятся.

Пусть - моментное пространство класса относительно системы .

Рассмотрим класс непрерывных слева и неубывающих на [0, Ґ) функций .

Имеем , т. е. .

Заметим, что отображение является взаимно однозначным, причем .

Таким образом, - множество всех неубывающих, непрерывных слева функций ограниченной вариации на [0, Ґ).

Пусть .

Необходимо найти

. (4)

Из равенств (sОВ0U)

следует, что задача (4) эквивалентна следующей.

Найти

, (5)

где - множество функций , удовлетворяющих равенствам

, , .

Таким образом, задача в классе В0 сведена к задаче (5), решение которой приведено, например, в [3].

Именно для любого

,

где - ступенчатая функция, имеющая положительные скачки в точках при нечетном n и в точках при четном n, - ступенчатая функция, имеющая положительные скачки в точках при нечетном n и в точках при четном n.

Из приведенных выше рассуждений следует, что

,

,

где , ,

r - величина скачка функции в точке Ґ.

Литература

Крейн М.Г., Нудельман А.А. Проблема моментов Маркова и экстремальные задачи. – Москва: Наука, 1973.

Таталян К.Р. Экстремальные задачи проблемы моментов на классах распределений. – Дисс. на соиск. ученой степени кандидата физ.-мат. наук. Москва, МИЭМ, 1988.

Карлин С., Стадден В. Чебышевские системы и их применение в анализе и статистике. – Москва: Наука, 1976.

Даниэлян Э.А., Таталян К.Р. О проблеме моментов на мажоризируемых классах. – Ереван: Межвуз. сб. научн. трудов “Прикладная математика”, № 7, 1988.

Манукян В.Р. О проблеме моментов для индексационных классов распределений. – Ереван: ДАН РА, том XCI, № 4, 1990.