Tải bản đầy đủ

Một số vấn đề về hàm đơn điệu toán tử và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
——————–o0o——————–

LÀNH THỊ THÙY

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ
HÀM ĐƠN ĐIỆU TOÁN TỬ VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC

THÁI NGUYÊN - 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
——————–o0o——————–

LÀNH THỊ THÙY

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ

HÀM ĐƠN ĐIỆU TOÁN TỬ VÀ ỨNG DỤNG
Chuyên ngành: Giải Tích
Mã số: 8 46 01 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC

Người hướng dẫn khoa học
TS. HỒ MINH TOÀN

THÁI NGUYÊN - 2019


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của
riêng bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Hồ Minh Toàn.
Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa
từng công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Ngoài ra, trong luận văn tôi có sử dụng một số kết quả của các tác
giả khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện bất kỳ sự
gian lận nào tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 05 năm 2019
Tác giả

Lành Thị Thùy

Xác nhận
của khoa chuyên môn

Xác nhận
của người hướng dẫn

TS. Hồ Minh Toàn

i


Lời cảm ơn
Trong quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn tôi
đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của người hướng dẫn, T.S Hồ Minh


Toàn.
Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn bộ môn Giải tích, Khoa Toán, đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi, hướng dẫn, phản biện để tôi có thể hoàn thành tốt
luận văn này. Do thời gian có hạn, bản thân tác giả còn hạn chế nên luận
văn có thể có những thiếu sót. Tác giả mong muốn nhận được ý kiến phản
hồi, đóng góp và xây dựng của các thầy cô, và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 05 năm 2019
Tác giả

Lành Thị Thùy

ii


Mục lục

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Lời mở đầu

1

1 Hàm đơn điệu ma trận

3

1.1

Một số kiến thức cơ bản

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.1.1

Ma trận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.1.2

Toán tử tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.1.3

Khai triển phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2

Hàm ma trận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.3

Hàm đơn điệu ma trận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2 Một số ứng dụng của hàm đơn điệu ma trận

16

2.1

Bất đẳng thức Jensen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.2

Bất đẳng thức Power-Størmer . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.2.1

Vết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

2.2.2

Bất đẳng thức Power-Stømer . . . . . . . . . . . . .

25

Kết luận

31

Tài liệu tham khảo

32

iii


Lời mở đầu
Ngày nay, tầm quan trọng của lý thuyết ma trận được biết đến trong
nhiều lĩnh vực về kỹ thuật, xác suất thống kê, thông tin lượng tử, giải tích
số, sinh học và khoa học xã hội. Đặc biệt, giải tích ma trận trở thành một
chủ đề độc lập trong toán học bởi một số lượng lớn các ứng dụng của nó.
Chủ đề về giải tích ma trận được thảo luận trên đại số các ma trận, hoặc
tương đương, đại số của các toán tử tuyến tính trong không gian Hilbert
hữu hạn chiều. Đại số các toán tử tuyến tính trên không gian Hilbert n
chiều đẳng cấu với đại số các ma trận vuông cấp n. Một trong các công
cụ chính trong giải tích ma trận là định lý phổ trong trường hợp hữu hạn
chiều.
Gần đây, nhiều lĩnh vực của giải tích ma trận được nghiên cứu kỹ
lưỡng như lý thuyết về các hàm đơn điệu ma trận và hàm lồi ma trận, lý
thuyết về trung bình ma trận, lý thuyết phân hóa trong thông tin lượng
tử,... Lý thuyết về các hàm như vậy được nghiên cứu mạnh và trở thành
một chủ đề quan trọng trong lý thuyết ma trận vì những ứng dụng rộng lớn
của chúng trong lý thuyết ma trận cũng như trong lý thuyết lượng tử. Hàm
đơn điệu toán tử lần đầu tiên được C. L¨owner nghiên cứu trong bài báo [1]
của ông năm 1934. Năm 1936, Kraus đã chứng minh tính đơn điệu toán tử
có mối quan hệ chặt chẽ với tính lồi toán tử. Năm 2008, một số ứng dụng
của lớp hàm này trong lý thuyết lượng tử được nhà toán học Dénes Petz
trình bày trong tài liệu chuyên khảo [2]. Tài liệu chuyên khảo [3] của nhà
toán học F. Hiai và [4] của nhà toán học R. Bhatia là những cẩm nang khá
1


đầy đủ và chi tiết về hàm đơn điệu toán tử. Bản luận văn đã trình bày lại
một số kết quả chọn lọc về hàm đơn điệu toán tử và ứng dụng của nó được
trích dẫn từ những tài liệu trên.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục tài liệu tham khảo, luận
văn gồm hai chương sau
Chương 1. Hàm đơn điệu toán tử
Trong Chương này tôi trình bày: Thứ nhất, hệ thống hóa kiến thức cơ bản
về ma trận và toán tử tuyến tính. Thứ hai, trình bày định nghĩa hàm toán
tử (hàm ma trận) và một số tính chất của hàm toán tử. Thứ ba, trình bày
định nghĩa hàm đơn điệu toán tử cùng một số định lý liên quan, đồng thời
đưa ra một số ví dụ nhằm minh họa cho lớp hàm này.
Chương 2. Một số ứng dụng của hàm đơn điệu toán tử
Đây là phần chính của luận văn. Tôi trình bày ứng dụng của hàm đơn điệu
toán tử trong Bất đẳng thức Hansen-Pedersen, cho thấy mối liên hệ chặt
chẽ giữa hàm đơn điệu toán tử và hàm lồi toán tử. Trình bày ứng dụng của
lớp hàm này trong Bất đẳng thức Power-Stømer, tôi nhắc lại kiến thức về
Vết và trình bày chứng minh cụ thể cho Bất đẳng thức này. Đồng thời trình
bày ví dụ cụ thể nhằm minh họa cho ứng dụng của lớp hàm này.
Do khả năng và thời gian còn khá hạn chế nên luận văn không tránh
khỏi nhiều thiếu sót. Ngoài ra, một số kết quả đã được trích dẫn được thừa
nhận mà bỏ qua chứng minh. Tôi rất mong nhận được sự góp ý quý báu từ
quý thầy cô để bản luận văn hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 05 năm 2019
Tác giả

Lành Thị Thùy
2


Chương 1
Hàm đơn điệu ma trận
Trong phần này, chúng ta nghiên cứu các kết quả về hàm ma trận và
hàm đơn điệu ma trận.

1.1

Một số kiến thức cơ bản

1.1.1

Ma trận
Trong phần này, ta trích lược một số kiến thức và ký hiệu về ma trận

(toán tử) liên quan đến nội dung chính của luận văn.

• Ký hiệu Mmn là vành các ma trận cấp m × n trên trường phức C. Ta
thường ký hiệu các chữ cái in là các ma trận. Ví dụ X là ma trận thì
phần tử hàng thứ i cột j của X sẽ được viết là xij .
Các ma trận sau là các ma trận vuông cấp n.

• Ký hiệu X := Diag(x1 , x2 , . . . , xn ) là ma trận đường chéo (hay ma
trận chéo), tức là các phần tử xij đều bằng 0 nếu i = j và xii = xi với
mọi i. Ma trận chéo mà các phần tử trên đường chéo chính đều bằng

1 được gọi là ma trận đơn vị. Ký hiệu là I.
• Ma trận X ∗ := (X)T = (xji ) là ma trận liên hợp của X. X được gọi
là tự liên hợp (hay Hermite) nếu X ∗ = X . Ký hiệu Msa
n là tập tất cả
các ma trận tự liên hợp cấp n.
3


• Một ma trận E được gọi là Unita nếu E −1 = E ∗ . Trong trường hợp
này thì EE ∗ = E ∗ E = I và các cột của E là một hệ trực chuẩn.

• Ma trận A được gọi là ma trận chuẩn tắc nếu AA∗ = A∗ A. Ma trận
Hermite và ma trận Unita là hai trường hợp đặc biệt của ma trận chuẩn
tắc.

1.1.2

Toán tử tuyến tính
Trong luận văn này H được ký hiệu là không gian Hilbert n chiều H

với tích vô hướng ., . , và L(H) là tập các ánh xạ tuyến tính (hay toán
tử tuyến tính) từ H vào chính nó. Ta biết, vì H là không gian hữu hạn
chiều nên mọi ánh xạ tuyến tính đều liên tục. Cố định một cơ sở chuẩn

E := {e1 , e2 , · · · , en } của H.
Khi đó, ta có một tương ứng

Θ : L(H) →Mn
X →(xij )ni,j=1 ,
trong đó (xij )ni,j=1 là ma trận của toán tử X đối với cơ sở E. Tương ứng Θ
này là đẳng cấu tuyến tính thỏa mãn

Θ(XY ) = Θ(X)Θ(Y ), Θ(X ∗ ) = (Θ(X))∗ , ∀X, Y ∈ L(H),
trong đó toán tử X ∗ là toán tử liên hợp của X xác định bởi

x, Xy = X ∗ x, y , ∀x, y ∈ H.
Nhờ đẳng cấu này, ta có thể đồng nhất L(H) với Mn . Thay vì
nghiên cứu trên L(H) ta nghiên cứu trên Mn . Vì vậy hàm toán tử
ta cũng có thể gọi là hàm ma trận trong suốt luận văn này.

Như trong ánh xạ tuyến tính ta có một số khái niệm và kết quả sau:
4


Định nghĩa 1.1.1.
(i) Ma trận X ∈ Mn được gọi là nửa xác định dương nếu u, Xu ≥ 0, ∀u ∈

H. Ký hiệu X ≥ 0.
(ii) Ma trận X ∈ Mn được gọi là xác định dương nếu u, Xu > 0, ∀u ∈ H
và u = 0. Ký hiệu X > 0.
Cho X, Y ∈ Msa
n ta viết X ≥ Y nghĩa là X − Y ≥ 0.
Tính chất cơ bản sau được trích trong [3], Mệnh đề 1.3.2.
Mệnh đề 1.1.2. Cho X, Y ∈ Msa
n . Khi đó

X ≥ Y ⇒ C ∗ XC ≥ C ∗ Y C, ∀C ∈ Mn .
Chứng minh. Lấy bất kỳ véc tơ u, ta có

u, C ∗ Y Cu = Cu, Y Cu ≥ Cu, XCu = u, C ∗ XCu .
Do đó C ∗ Y C ≥ C ∗ XC .
Giả sử W là không gian con (đóng) của H. Khi đó

H = W ⊕ W⊥
Ta gọi ánh xạ tuyến tính T (x) = x1 , trong đó x được biểu diễn duy nhất

x = x1 + x2 với x1 ∈ W, x2 ∈ W ⊥ , là toán tử chiếu trực giao lên W. Sau
này ta nói toán tử chiếu (hay phép chiếu) nghĩa là toán tử chiếu trực giao.
Đặc trưng đại số sau đây được trích trong [3], Mệnh đề 1.3.4.
Mệnh đề 1.1.3. Giả sử T ∈ L(H). Khi đó các mệnh đề sau là tương đương
(i) T là toán tử chiếu;
(ii) T ∗ = T = T 2 .

5


1.1.3

Khai triển phổ

Định nghĩa 1.1.4. Cho X ∈ Mn . Ta nói λ ∈ C là một giá trị riêng của X
nếu phương trình Xu = λu có nghiệm u ∈ Cn không tầm thường. Khi đó,

u được gọi là một vectơ riêng của X ứng với giá trị riêng λ.
Ker(X − λI) là không gian con riêng ứng với giá trị riêng λ.
Tập các giá trị riêng của X được gọi là phổ của X , ký hiệu là σ(X), nghĩa


σ(X) = {λ1 , ..., λn }.
Ký hiệu r(X) là bán kính phổ của X được xác định:

r(X) = max{|λ| : λ ∈ σ(X)}.
Ký hiệu w(X) là bán kính số của X xác định như sau:

w(X) = max{| u, Xu | : u ∈ H, u = 1}.
Phương pháp giải tìm giá trị riêng, vectơ riêng
Bước 1: Giải phương trình đặc trưng det(X − λI) = 0. Nghiệm của phương
trình đặc trưng là các giá trị riêng cần tìm.
Bước 2: Tìm vectơ riêng ứng với giá trị riêng λ: Ứng với mỗi giá trị riêng

λi vừa tìm được, ta giải hệ thuần nhất (X − λi I)u = 0. Nghiệm không tầm
thường của hệ này là các vectơ riêng cần tìm. Sau đây chúng ta trích dẫn
một số kiến thức chuẩn bị trong tài liệu chuyên khảo [3].
Mệnh đề 1.1.5. [3, Mệnh đề 1.5.7] Cho X, Y ∈ Mn . Khi đó,
(i) Tập phổ của XY và của Y X là như nhau và do đó chúng có cùng bán
kính hội tụ.
(ii) r(X) ≤ w(X) ≤ 2w(X);
(iii) Nếu X là ma trận chuẩn tắc thì bán kính phổ, bán kính số và chuẩn
của X đều bằng nhau.
6


Định lý 1.1.6. Với mỗi ma trận chuẩn tắc X ∈ Mn thì tồn tại các giá trị
riêng λ1 , λ2 , ..., λn ∈ C của X và ma trận Unita U ∈ Mn sao cho

X = U Diag(λ1 , ..., λn )U ∗ .
Chứng minh. Xem chứng minh của Định lý 1.4.6 trong [3].
Mệnh đề 1.1.7. Giả sử E là ma trận Unita và T là toán tử chiếu. Khi đó

ET E ∗ và E ∗ T E là các toán tử chiếu.
Chứng minh. Do T là toán tử chiếu nên từ Mệnh đề 1.1.3 suy ra T ∗ = T =

T 2 . Đặt P := ET E ∗ . Ta có
P ∗ = (ET E ∗ )∗ = (E ∗ )∗ T ∗ E ∗ = ET E ∗ = P,
P 2 = (ET E ∗ )(ET E ∗ ) = ET 2 E ∗ = ET E ∗ = P.
Vậy P là toán tử chiếu. Lập lập tương tự với E ∗ T E.
Hệ quả 1.1.8. Giả sử X ∈ Mn là ma trận chuẩn tắc có tập phổ là

{λ1 , λ2 , ..., λm }, trong đó họ {λi } là đôi một khác nhau. Khi đó X có khai
triển phổ là
m

X=

λj Pj ,

(1.1)

j=1

trong đó Pj là toán tử chiếu lên hạch Ker(X − λj I).
Chứng minh. Theo Định lý 1.1.6, ta có X = U Diag(λ1 , ..., λn )U ∗ , trong đó

U = [u1 u2 ...un ] là Unita. Suy ra






 u1 
.
.
X = [u1 λ1 ...un λn ] 
 . =
 
u∗n
7

n

λi ui u∗i .
i=1


Gọi α1 , α2 , ..., αn (αi = αj , i = j ) là họ n nghiệm đầy đủ của đa thức đặc
trưng của X, tức là αi và αj không nhất thiết phải khác nhau khi i, j khác
nhau. Đặt

ui u∗i ,

Pj :=
i:λi =αj

với mọi j = 1, 2, . . . , m. Với cách định nghĩa trên thì Pj là toán tử chiếu lên

Ker(X − αj I) với mọi j và
m

n

ui u∗i = I, Pi Pj = 0, ∀i = j.

Pj =
j=1

i=1

m

Do đó, ta có X =

λj Pj , điều cần phải chứng minh.
j=1


Ví dụ 1.1.9. Xét X = 

2 2


 . Ta có σ(X) = {0, 1} và

1

= (1, −1),

2

=

2 2
(1, 1) là hai vectơ riêng tương ứng. Chuẩn hóa { 1 , 2 } ta được {u1 =




(1/ 2, −1/ 2), u2 = (1/ 2, 1/ 2)}. Do đó ta có ma trận Unita
 √
√ 
1/ 2 1/ 2
U =

√ 
−1/ 2 1/ 2



√ 
1/ 2 −1/ 2
U∗ =  √
√ .
1/ 2 1/ 2




Suy ra

X =U Diag(0, 4)U ∗




1/2 −1/2
1/2 1/2
 + 4
.
=0 
−1/2 1/2
1/2 1/2
Vậy X = 0P1 + 4P2 , trong đó P1 , P2 là các toán tử chiếu lên không gian
1

,

2

.
8


Ma trận khối
Một ma trận vuông X có thể biểu diễn dạng như sau:

X=

X11 X12
,
X21 X22

trong đó X11 ∈ Mn , X12 ∈ Mnm , X21 ∈ Mmn , X22 ∈ Mm . Trong trường hợp

X12 và X21 đều là ma trận không thì X còn được viết Diag(X11 , X22 ). Khi
đó ta có tiêu chuẩn để một ma trận nửa xác định dương như sau
Mệnh đề 1.1.10. [7] Cho X, Y ∈ Msa
n ; X, Y > 0. Ta có


X C

 ≥ 0 ⇔ X ≥ CY −1 C ∗ .
C∗ Y


X I
 ≥ 0, ∀X ∈ Msa
Hệ quả 1.1.11. [7] 
n và X > 0.
−1
I X
Mệnh đề 1.1.12. [7] Cho X, Y > 0. Ta có

X +Y
2

−1

X −1 + Y −1

.
2

Chứng minh. Theo Hệ quả 1.1.11 ta có,




X I
Y
I

 ≥ 0, và 
 ≥ 0,
−1
−1
I X
I Y
Ta biết tổng đóng kín đối với tập các ma trận nửa xác định dương nên áp
dụng Mệnh đề 1.1.10 cho tổng của 2 ma trận nửa xác định dương xét ở trên,
ta có được điều phải chứng minh.

1.2

Hàm ma trận

Định nghĩa 1.2.1. Cho h là hàm số giá trị thực xác định trên khoảng J
và X ∈ Msa
n . Ta biết X có biểu diễn phổ
m

X=

lj Tj ,
j=1

9


trong đó {l1 , l2 , ..., lm } = σ(X) và Tj là toán tử chiếu lên Ker(X − lj I).
Nếu giả thiết thêm rằng σ(X) ⊂ J, thì h(li ) xác định được và ta có
thể định nghĩa:
m

h(X) :=

h(lj )Tj .

(1.2)

j=1


Ví dụ 1.2.2. Theo Ví dụ 1.1.9, A = 

2 2
2 2


 có khai triển phổ là A =

0P1 + 4P2 .
Xét hàm h(x) = x2 . Ta có h(A) = h(0)P1 +h(4)P2 . Vì P1 P2 = 0, ∀i =

j và Pin = Pi nên h(A) = (0P1 + 4P2 )2 hay h(A) = A2 .
Bổ đề 1.2.3. Cho h là hàm số có miền xác định J , X ∈ Msa
n có phổ nằm
trong J . Khi đó với mọi ma trận Unita U, thì

h(U ∗ XU ) = U ∗ h(X)U.
m

Chứng minh. Giả sử X =

λj Pj là khai triển phổ của X. Khi đó
j=1




U XU = U



m

∗

m

λj (U ∗ Pj U ).

λj Pj  U =
j=1

(1.3)

j=1

Theo Mệnh đề 1.1.7, suy ra (U ∗ Pj U ), 1 ≤ j ≤ m là toán tử chiếu. Khi đó
(1.3) là biểu diễn phổ của U ∗ XU . Vì vậy ta có


m



h(U XU ) =h 

h(λj )U ∗ Pj U

λj U Pj U  =
j=1



=U

m



j=1



m

∗

h(λj )Pj  U = U ∗ h(X)U.
j=1

Bổ đề được chứng minh.
10


Nhận xét 1.2.4. Cho hàm h : K → R. Nếu h ≥ 0(> 0) thì h(X) ≥ 0 (> 0)
với mọi X ∈ Msa
n .
n

Mệnh đề 1.2.5. Nếu h(x) =
n

hi xi là một đa thức thực thì h(X) =

i=0

hi X i , trong đó X 0 là ma trận đơn vị.

i=0

Chứng minh. Ta xét hai trường hợp sau:
Trường hợp 1.



X=





λ1 · · ·
.. . .
.
.

0
..
.

0 · · · λn



=



n

λi Eii .
i=0

Suy ra
n

h(λi )Eii = h0 I + h1 X + · · · + hn X n .

h(X) =
i=0

Trường hợp 2. Với X = X T , tồn tại ma trận Unita U : X = U DU ∗ .
n

hi Di U ∗ . Khi đó

Suy ra h(X) = U
i=0
n

n

hi (U DU ∗ )i

hi X i =
i=0

i=0

=h0 I + h1 (U DU ∗ ) + h2 (U DU ∗ )2 + · · · + hn (U DU ∗ )n
n

hi Di U ∗ .

=U
i=0
n

Vậy h(A) =

hi X i .

i=0

Hệ quả 1.2.6. Nếu X = U Diag(λ1 , ..., λn )U ∗ thì

h(X) = U Diag(h(λ1 ), ..., h(λn ))U ∗ .
Bổ đề 1.2.7. Cho X, Y ∈ Msa
n với σ(X), σ(Y ) ∈ K, với K ⊂ R. Khi đó

 

X 0
h(X)
0
=
.
h
0 Y
0
h(Y )
11


Chứng minh. Vì X, Y ∈ Msa
n nên tồn tại U, V ∈ Mn là các ma trận Unita
sao cho

X = U D1 U ∗ , Y = V D2 V ∗ ,
trong đó

D1 = Diag(α1 , α2 , · · · , αn ), αi ∈ σ(A),
D2 = Diag(β1 , β2 , · · · , βn ), βi ∈ σ(B).
Suy ra



X 0
0 Y





 =


=

Ta thấy 

U 0
0 V



U D1 U
0
U∗
0





0




V D2 V



0
D 0
U 0
 1

.

V
0 D2
0 V


 là ma trận Unita và

D1

0

0

D2


 = Diag(α1 , · · · , αn , β1 , · · · , βn ).

Theo Hệ quả 1.2.6 ta có

 




X 0
U
0
h(D1 )
0
U 0
 =



h
0 Y
0 V∗
0
h(D2 )
0 V


h(X)
0
.
=
0
f (Y )
Ta có điều phải chứng minh.

12


1.3

Hàm đơn điệu ma trận

Định nghĩa 1.3.1. [3] Cho h : I → R là một hàm số, với I là một khoảng
trong R.
(i) h được gọi là đơn điệu ma trận cấp n hay n-đơn điệu nếu h(X) ≤ h(Y )
với mọi ma trận tự liên hợp cấp n X ≤ Y và phổ của chúng nằm trong I.
Hàm h được gọi là hàm đơn điệu ma trận (hay toán tử) trên I nếu nó là

n-đơn điệu với mọi n ∈ N∗ .
(ii) Hàm h được gọi là ma trận lõm cấp n hay n-lõm nếu nó thỏa mãn

h(tX + (1 − t)Y ) ≥ th(X) + (1 − t)h(Y ),

(1.4)

với mọi ma trận tự liên hợp X, Y cấp n có phổ nằm trong I và mọi 0 ≤ t ≤ 1.

n ∈ N∗ .
(iii) Hàm h được gọi là n-lồi nếu bất đẳng thức (1.4) đúng chiều ngược lại.
Định lý 1.3.2. [3, Theorem 2.1.1, p. 155] Với mỗi X, Y ∈ L(H)sa , X ≥ Y
suy ra X t ≥ Y t , ∀t ∈ [0, 1]. Quy ước X 0 = I .
Chứng minh. Xét X ≥ Y > 0. Đặt ∆ = {t ∈ R : X t ≥ Y t }. Ta cần chứng
minh ∆ chính là đoạn đóng J = [0, 1] bằng cách chứng minh ∆ đóng và
chứa một tập trù mật trong J.
Các hàm t → X t và t → Y t là liên tục nên hiệu 2 hàm cũng liên
tục. ∆ là nghịch ảnh của tập đóng của hàm hiệu nên cũng là tập đóng. Rõ
t+q
∈ ∆ với mọi t, q ∈ ∆. Giả
ràng 0, 1 ∈ ∆. Trước hết khẳng định rằng:
2
sử khẳng định này đúng, ta suy ra tập các số 2-adic cũng thuộc ∆ nên ∆
chứa tập con trù mật trong [0, 1]. Vậy để kết thúc chứng minh, ta cần chứng
minh khẳng định vừa nêu trên.
13


Với t, q ∈ ∆, ta có X t ≥ Y t , X q ≥ Y q . Theo Mệnh đề 1.1.2, ta suy ra

X −t/2 Y t X −t/2 ≤ X −t/2 X t X −t/2 = I.
Mặt khác

Y t/2 X −t/2

2

= (Y t/2 X −t/2 )∗ (Y t/2 X −t/2 )
= X −t/2 Y t X −t/2
≤1.

Suy ra Y t/2 X −t/2 ≤ 1. Chứng minh tương tự ta có Y q/2 X −q/2 ≤ 1. Khi
đó, ta có

(Y t/2 X −t/2 )∗ (Y q/2 X −q/2 ) ≤ (Y t/2 X −t/2 )∗

(Y q/2 X −q/2 )

= (Y t/2 X −t/2 ) (Y q/2 X −q/2 )
≤1.
Áp dụng Mệnh đề 1.1.5, ta có

1 ≥ (Y t/2 X −t/2 )∗ (Y q/2 Y −q/2 )
= X −t/2 Y (t+q)/2 X −q/2
≥r(X −t/2 Y (t+q)/2 X −q/2 )
=r(X −(t+q)/4 Y (t+q)/2 X −(t+q)/4 )
= X −(t+q)/4 Y (t+q)/2 X −(t+q)/4 .
Suy ra

I ≥ X −(p+q)/4 Y (t+q)/2 X −(t+q)/4 .
Do đó

Y (t+q)/2 ≤ X (t+q)/2 hay

14

t+q
∈ ∆.
2


Chú ý 1.3.3. Định lý 1.3.2 
khôngđúng trong
 trường
 hợp t > 1.
1 1 1
3 2 0
Thật vậy, xét X = 
,Y = 
, khi đó |(X t − Y t )| =
4 0 1
2 1 1

2t + 4t
.
2
Do đó với mọi t > 1, X t − Y t không là nửa xác định dương.

(3t 8−t ) 3t −

Mệnh đề 1.3.4. Cho h : [0, ∞) → [0, ∞) là hàm số. Khi đó h là n-đơn
điệu khi và chỉ khi h là n-lõm với mọi số tự nhiên n.
Chứng minh. Theo Hệ quả 2.5.4, trang 171 của [3].
Ví dụ 1.3.5. Hàm h(s) = st là hàm đơn điệu ma trận đồng thời là n-lõm
trên [0, ∞) với t ∈ [0, 1] và mọi số tự nhiên n.
Chứng minh. Giả sử X, Y ∈ Msa
n , σ(X), σ(Y ) ⊂ [0, ∞) và X ≥ Y . Áp dụng
Định lý 1.3.2,

X t ≥ Y t,

∀t ∈ [0, 1].

Vậy h là n đơn điệu trên J = [0, ∞).
Hơn nữa, theo Mệnh đề 1.3.4, ta có h là n-lõm .
Ví dụ 1.3.6. h(s) = −s−1 là hàm n-đơn điệu trên (0, ∞) với mọi số tự
nhiên n.
Chứng minh. Ta sử dụng Mệnh đề 1.1.2 để chứng minh rằng nếu Y ≥ X > 0
thì Y −1 ≤ X −1 . Từ đó suy ra điều phải chứng minh.

15


Chương 2
Một số ứng dụng của hàm đơn điệu
ma trận
Trong chương này, ta trình bày vài ứng dụng quan trọng của hàm

n-đơn điệu trong Bất đẳng thức Hansen-Pedersen và Bất đẳng thức PowerStømer. Đồng thời, đưa ra một vài ví dụ minh họa cho kết quả đã nêu trong
mục 2.1 và 2.2.

2.1

Bất đẳng thức Jensen
Bất đẳng thức Hansen-Pedersen (hay còn gọi là bất đẳng thức Jensen)

cho một đặc trưng của lớp hàm n-đơn điệu. Các kết quả trong mục này được
trích từ [3]. Trước khi trình bày kết quả chính, ta trình bày một số kết quả
chuẩn bị.
Định lý 2.1.1. Nếu hàm h khác hằng là 2-đơn điệu trên khoảng (a, b) thì h
là hàm khả vi liên tục trên khoảng (a, b), h > 0 và h là hàm lồi trên (a, b).
Chứng minh. Theo Định lý 2.4.1, trang 163 của [3].
Bổ đề sau đây được trích dẫn từ Bổ đề 2.5.1 trong [3].

16


Bổ đề 2.1.2. Giả sử A ∈ Mn và h hàm thực có miền xác định chứa phổ
của ma trận A∗ A. Khi đó các ma trận Ah(A∗ A) và h(A∗ A)A là bằng nhau.
Chứng minh. Ta có phổ của A∗ A và phổ của AA∗ là bằng nhau, nên h(AA∗ )
là xác định được. Dễ dàng chứng minh được rằng Ah(A∗ A) = h(AA∗ )A,
với mọi đa thức h.
Trong tường hợp h không phải là đa thức, ta gọi {α1 , α2 , ..., αm } là
tập phổ của A∗ A. Xét đa thức

L(t) = h(α1 )

t − αi
t − αi
+ · · · + h(αm )
.
α

α
α

α
1
i
m
i
1≤i≤m,i=1
1≤i≤m,i=m

Khi đó L và h bằng nhau trên tập phổ của A∗ A. Từ đó ta suy ra điều phải
chứng minh.
Mệnh đề 2.1.3. [3] Cho h là hàm thực xác định trên [0, a) với 0 ≤ a ≤ +∞
và h(0) không âm. Nếu h là n-lõm với mọi số thự nhiên n thì

h(X ∗ AX) ≥ X ∗ h(A)X,
với mọi A ∈ Msa
n có các giá trị riêng thuộc [0, a), mọi ma trận X ∈ Mn có
chuẩn không vượt quá 1 và mọi số tự nhiên n.
Chứng minh. Cho A, X như trên. Ta ký hiệu các ma trận vuông cấp 2n như
sau

T := Diag(A, 0),


X Y
,
E := 

Z −X


X −Y
,
F := 

Z X
17


trong đó Y, Z lần lượt là căn bậc hai của I − XX ∗ và I − X ∗ X. Theo Bổ
đề 2.1.2, ta có XZ = Y X. Kết hợp với định nghĩa của các ma trận F, F ta
suy ra E, F là các ma trận Unita. Hơn nữa,

E ∗ T E + F ∗ T F = 2Diag(X ∗ AX, Y AY ).
Do đó, qua tác động của h, ta có

Diag(h(X ∗ AX), h(Y AY ) = h (Diag(X ∗ AX, Y AY ))
= h 2−1 [E ∗ T E + F ∗ T F ]
≥ 2−1 [h(E ∗ T E) + h(F ∗ T F )]
1
1
= E ∗ h(T )E + F ∗ h(T )F
2
2
1 ∗
≥ [E Diag(h(A), 0)E + F ∗ Diag(h(A), 0)F ]
2
= Diag(X ∗ f (A)X, Y h(A)Y.

So sánh các ma trận khối tương ứng của ma trận đầu và cuối, ta suy ra
được điều cần chứng minh.
Ta đã sẵn sàng phát biểu và chứng minh kết quả chính của mục này
(đây là kết quả chính trong bài báo [5] và được trình bày lại trong [3]).
Định lý 2.1.4. Cho 0 < a ≤ +∞ và h : [0, a) → R là một hàm số. Khi
đó, các mệnh đề sau tương đương.
(i) Hàm h là hàm n-lõm với mọi số tự nhiên n và h(0) ≥ 0;
(ii) h(A∗ XA) ≥ A∗ h(X)A với mọi X ∈ Msa
n có phổ nằm trong [0, a) và

A ∈ Mn có chuẩn không vượt quá 1;
18


(iii) h(P XP ) ≥ P h(X)P với mọi X ∈ Msa
n có phổ nằm trong [0, a) và

P ∈ Mn là toán tử chiếu.
Chứng minh. (i) ⇒ (ii). Hiển nhiên đúng theo Mệnh đề 2.1.3.

(ii) ⇒ (iii). Từ (ii) áp dụng với X = P , và X = 1 (vì X = P là toán tử
chiếu) ta có điều phải chứng minh.

(iii) ⇒ (i). Lấy X, Y là các ma trận nửa xác định dương, vuông cấp n và
có các giá trị riêng không vượt quá a. Lất 0 ≤ l ≤ 1. Đặt

Z := Diag(X, Y ),
P := Diag(I, 0),
 √

lI
− (1 − l)I
.
E := 

(1 − l)I
lI
Dễ dang kiểm tra trực tiếp được rằng Z ∗ = Z có phổ nằm trong [0, a), E
là Unita và P là toán tử chiếu. Vì


λX + (1 − l)Y 0
,
P E ∗ ZEP = 
0
0
nên

Diag(h(lX + (1 − l)Y ), 0) = h(P E ∗ ZEP )
≥ P h(E ∗ ZE)P
= P E ∗ h(Z)EP
= Diag(lh(X) + (1 − l)h(Y ), 0).
Ta biết một ma trận khối nửa xác định dương thì các khối con cũng nửa
xác định dương. So sánh các ma trận khối của bất đẳng thức vừa thu được
và theo định nghĩa của hàm lõm ma trận, ta suy ra hàm h là n- lõm với mọi
số tự nhiên n và h(0) ≥ 0.
19


Cho hàm h xác định trên [0, a). Nếu giới hạn bên phải limt→0+ h(t)
tồn tại thì ta ký hiệu h(0+) := limt→0+ h(t).
Định lý 2.1.5. Cho hàm số f : [0, a) → R với 0 < a ≤ +∞. Khi đó các
mệnh đề sau là tương đương
(i) f là hàm n-lõm với mọi số tự nhiên n và f (0) ≥ 0;
(ii) f là hàm n-lõm trên khoảng mở (0, a) với mọi số tự nhiên n và f (0+) ≥

f (0) ≥ 0;
(iii) s−1 f (s) là hàm n-đơn điệu giảm trên (0, a) với mọi số tự nhiên n và

f (0+) ≥ f (0) ≥ 0.
Chứng minh. Ta sẽ tiến hành chứng minh theo quy trình như sau: (i) ⇔ (ii).

(i) ⇒ (iii) và (iii) ⇒ (ii).
(i) ⇒ (ii). Từ giả thiết f là n-lõm trên (0, a) nên nói riêng f là hàm
lõm trên (0, a). Do đó tồn tại f (0+) := limt→0 f (t) và f (0+) ≥ f (0).

(ii) ⇒ (i). Đặt

f0 (s) :=




f (0+)

nếu s = 0,



f (s)

nếu s ∈ (0, a).

Khi đó f0 liên tục trên [0, a). Lấy X, Y là các ma trận vuông cấp n bất kỳ
sao cho σ(X), σ(Y ) ⊂ [0, a). Lấy

> 0 đủ nhỏ sao cho phổ của X + εI và

của Y + εI là các tập con của khoảng (0, a). Khi đó với mọi 0 < t < 1, ta


f [t(X + I) + (1 − t)(Y + I)] ≥ tf (X + I) + (1 − t)f (Y + I).
Khi cho

→ 0, ta thu được
f0 (tX + (1 − t)Y ) ≥ tf0 (X) + (1 − t)f0 (Y ).
20


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×