Điểm bất động trong không gian kiểu metric

rong bài viết này, trước hết bài viết đưa ra hai bổ đề quan trong về Điểm bất động trong không gian kiểu metric, nó khái quát hóa và kéo theo nhiều kết quả khác. Thứ hai, đưa ra một số định lý về điểm bất động của ánh xạ co trên không gian kiểu metric đầy đủ. Thứ ba là chứng minh tính chất của phép lặp Picard. Các kết quả trong bài báo này được viết dựa trên tài liệu. SỐ 532020 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI 20 KHCN QUI Điểm bất động trong không gian kiểu Metric ThS Nguyễn Thị Thu Hương1, 1Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Mobile 0366450738;.

20 KH&CN QUI

Điểm bất động trong không gian kiểu Metric

ThS Nguyễn Thị Thu Hương1,*

1Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

Mobile: 0366450738; * Email: huongna2010@gmail.com

Tóm tắt

Từ khóa:

Ánh xạ co; Dãy Cauchy;

Điểm bất động; Không gian

kiểu metric;Phép lặp Picard

Trong bài báo này, trước hết chúng tôi đưa ra hai bổ đề quan trong về Điểm bất động trong không gian kiểu metric, nó khái quát hóa và kéo theo nhiều kết quả

khác Thứ hai, chúng tôi đưa ra một số định lý về điểm bất động của ánh xạ co trên không gian kiểu metric đầy đủ Thứ ba, chúng tôi chứng minh tính chất của phép lặp Picard Các kết quả trong bài báo này được viết dựa trên tài liệu [2]

1 Giới thiệu

Hơn một thế kỉ qua, lý thuyết điểm bất động được nhiều nhà toán học trên thế giới tìm cách cải

tiến trên các không gian trừu tượng khác nhau như:

Không gian 2- metric, không gian metric thứ tự,

không gian b-metric, không gian metric nón,… Tất

cả đều thiết lập mối liên hệ giữa phương pháp tiếp

cận thuần túy và ứng dụng của nó Đặc biệt, một số

ứng dụng của lý thuyết điểm bất động đã được giới

thiệu để nghiên cứu và tính toán cho phương trình vi

phân, phương trình tích phân… Trong số đó, Định

lý điểm bất động có tầm ảnh hưởng lớn và nổi tiếng

nhất là nguyên lý ánh xạ co Banach được chứng

minh bởi nhà toán học Banach người Balan vào năm

1922 Kể từ đó lý thuyết điểm bất động đã có một

bước phát triển nhanh chóng

2 Nội dung

2.1.Các định nghĩa và bổ đề

Định nghĩa 1[1].Cho X là tập hợp khác rỗng và

1



k là một số thực cho trước Hàm

d : X × X  được gọi là kiểu metric trên X nếu

các điều kiện sau được thỏa mãn:

 

   

3) d x , z  kd x y ,  kd y z , ,

 x y z  X Khi đó bộ ba X k d , , được gọi là

không gian kiểu metric

Định nghĩa 2[1] Cho  X k d , ,  là không

gian kiểu metric và   xn là một dãy các phần tử

trong X Khi đó:

(1) Dãy   xn được gọi là hội tụ đến x  X nếu

(2) Dãy   xn được gọi là dãy Cauchy nếu

(3)  X k d , ,  là không gian đầy đủ nếu mọi dãy Cauchy các phần tử trong X đều hội tụ trong nó

Định nghĩa 3[2] Cho  X k d , ,  là một không gian kiểu metric, x0 Xvà ánh xạ

T: X  X ,với F(T), trong đó (T)F là tập các điểm bất động của T Khi đó, dãy lặp

1 T

x x với mọi n N  được gọi T- dừng đối với T nếu lim (T)

n x q F và nếu mỗi dãy

  yn n N  Xthỏa mãn lim  1,T  0

thì lim

Định nghĩa 4[2] Cho K,  là một không gian metric bị chặn đầy đủ Khi đó, điểm bất động của ánh xạ T K: K được xác định nếu tồn tại duy nhất qK q: F T  và  y n X:

lim m, n 0

  thì ta có lim n

Bổ đề 1 Cho X k d là không gian , , 

kiểu metric với hệ số k1 Giả sử dãy

   x n , y n X hội tụ tới các điểm tương ứng

;

x yX Khi đó ta có:

1

d x, y liminfd x , y lim supd x , y k d x, y

Nếu x y thì lim d x , y n n= 0.

n

Hơn nữa, với mỗi z X ta có

1

d x,z liminfd x ,z lim supd x ,z k d x,z

Chứng minh.Với mỗi n1, ta có:

d x y k d x x d x y

d x y k d x y d y y

d x y k d x x d x y

d x y k d x y d y y

   

   

   

   

Suy ra

KH&CN QUI 21

2

d x y d x x d y y d x y

kd x x k d y y k d x y

Cho nta thu được

1

d x,y infd x ,y lim supd x ,y k d x,y

Nếu xy thì ( , ) d x y 0 Suy ralim  n, n 0

Với mỗi z X , ta có

 ,   n,   n, , 1

d x z kd x x kd x z n

Từ đó ta suy ra

1

n

d x z d x x d x z

k

kd x x kd x z

Cho nvà sử dụng lim  n,  0

  ta thu được:

 

1

,



k

kd x z

Bổ đề 2 Cho X k d, ,  là không gian kiểu

metric với hệ số k1 và ánh xạ T X: X Giả

sử  xn là một dãy các phần tử trong X xác định bởi

1

x Tx sao cho d x ,x n n+1λd x ,x , n-1 n (2.1)

với mọi n N trong đó và λ0;1  Khi đó  x n là

một dãy Cauchy

Chứng minh Cố định x0X và xây dựng dãy  x n

bởi công thức x n1=Tx ,n N n  Ta xét các trường

hợp sau:

Trường hợp 1: Với λ 0, 1 , k >1.

k

 

 

Theo (2.1), ta có:

2 n-2 n-1

n

0 1

d x ,x λd x ,x

λ d x ,x

λ d x ,x







2 n-2 n-1

n

0 1

d x ,x λd x ,x

λ d x ,x

λ d x ,x







Do đó, với mọi n,m N và n m ta có:

1

2

2

3

,

,

m m

d x x kd x x kd x x

kd x x

k d x x k d x x

kd x x k d x x

k d x x k d x x

kd x x k d x x

k d x x





,

1

m

n m n

n m n m

m

n m n m

k d x x k d x x

k d x x k d x x

k d x x

k d x x

k d x x

s s k

s







 















  



n m n m d x x

s   

   

0

,

1

i m

i m

k s d x x k

d x x m k













Điều này chứng tỏ  0

n n

T x

 là dãy Cauchy Hay

 x n n là dãy Cauchy

Trường hợp 2: Với 1,1 , >1.k

k

   Trong trường

hợp này, ta có n0 khi n,do đó tồn tại

0

n  sao cho n0 1

k

  Theo Trường hợp 1, suy

0

n n

n



là dãy Cauchy

Khi đó

 x n n0x x x0, ,1 2,x n01  x n0,x n01,x n02,x n0n

là dãy Cauchy trong X

Trường hợp 3: Vớik1 Chứng minh tương tự như Trường hợp 1, ta cũng có  x n n là dãy Cauchy

2.2 Định lý Định lý 1 Cho X, k, d là không gian kiểu 

metric đầy đủ với hệ số k1và ánh xạ :T XX

thỏa mãn điều kiện

   

5

, 2.2

d x Tx d y Ty

d Tx Ty d x y

d x y

d x Ty d y Tx d x Tx d x Ty

d y Ty d y Tx

d x y









trong đó    1, 2, ,3 4 và 5 là các hằng số không âm

22 KH&CN QUI

và thỏa mãn   1  2 3 k4k51 Khi đó, T

có điểm bất động duy nhất x*X Hơn nữa, với

mỗi x X , dãy lặp  T x hội tụ về n x*X

Chứng minh.Chọn x0X và xây dựng dãy lặp

 x n bởi công thức x n1Tx n n  .Nếu tồn tại

0

n  sao cho

0 0 1

x x  thì

0 0 1 0,

x x  Tx hay 0

n

x gọi là điểm bất động của T Không mất tính tổng

quát, ta giả sử rằng x nx n1, n Theo giả thiết

ta có

1

1 5

1

1

,

,

n

d x n x Tx Tx n

d x Tx d x Tx

d x x

d x x

d x Tx d x Tx d x Tx d x Tx

d x Tx d x Tx

d x x

d x x d x x

d x x

d x x



 





















1 1

+

.

n

d x x d x x d x x d x x

d x x d x x

d x x

d x x d x x k d x x d x x









Điều này chứng tỏ rằng

1 2 k4 d x x n, n1  1k4 d x n1,x n   2.3

Từ (2.2) ta có

.

1

5

1

1

3

,

,

n n

n n

n n

n n

n n n

d x x

d x x

d x x

d x x

d x x

d x

























4

5

1

n n

d x x













Kéo theo

1 2 k5 d x x n, n1  1k5 d x n1,x n   2.4

Từ (2.3) và (2.4) ta có

2

2 2

2

2 2



 



Vì   1  2 3 k4k51 nên 0  1 Theo

Bổ đề 2,  x n là dãy Cauchy trong X Hơn nữa

X, k, d là đầy đủ nên tồn tại x Xsao cho lim n

n x x

  (2.5) Tiếp theo, ta chỉ ra rằng x là điểm bất động của T Thật vậy

5

1

1

,

,

n n n

n

n n

n n n

n

n

d x Tx d x Tx

d x x

d x x

d x Tx d x Tx

d x x

d x x

d x x

d x x



 





  



 







 















   

1

1 5

,T

n n n

n

d x x

d x x







  











Cho nta thu được lim d x n 1,Tx  0

n   

Từ đó suy ra *.

1

n   (2.6)

Từ (2.5) và (2.6) ta có Txx hay x là bất động của T Cuối cùng, chúng ta chỉ ra tính duy nhất của điểm bất động Thật vậy, gia sử có một điểm bất động *

y của T sao cho yx, theo giả thiết ta có:

       

   

       

,

d x y d Tx Ty

d x Tx d y Ty

d x y

d x y

d x Ty d y Tx d x Tx d x Ty





   

 

       

5

n

d y Ty d y Tx

d x y

d x y d x y

d x y

d x x

d x y



 









 

KH&CN QUI 23

Do   1  2 3 k4k51 nên  1 3 1

Từ đó suy ra d x y , 0 hay xy

Hệ quả 1 Cho X d là không gian metric , 

đầy đủ và ánh xạ :T X X thỏa mãn điều kiện

 

5

,

d x Tx d y Ty

d Tx Ty d x y

d x y

d x Ty d y Tx d x Tx d x Ty

d y Ty d y Tx

d x y









trong đó    1, 2, ,3 4 và 5 là các hằng số không âm

và     1    2 3 4 5 1.Khi đó, T có duy nhất

điểm bất động trong X Hơn nữa, với mỗi x X ,

dãy lặp  n  

T x n hội tụ về điểm cố định

Chứng minh: Hệ quả này suy ra từ Định lý 1 bằng

cách chọn k  1.

Định lý 2 Giả sử các điều kiện của Định lý 1

được thỏa mãn

2k 2  k k   2thì dãy

1

x Tx n là T- dừng

Chứng minh Theo Định lý 1, ánh xạ T có điểm bất

động duy nhất xX Giả sử  y n là một dãy trong

X sao cho d y n1,Ty n0 khi n.Từ (2.2), ta

có

       

   

       

   

 

5

,

n

n

n n

d Ty x d Ty x

d y Ty d x Tx

d y x

d y x

d y Tx d x Ty d y Ty d y Tx

d x Tx d x Ty

d y x

















Điều này chứng tỏ

1 3 k4d x Ty , n1k4d y x n,  2.7 

Mặt khác, ta có

       

   

       

 

5

,

n

n

n

d Ty x d x y

d x Tx d y Ty

d x y

d x y

d x Ty d y Tx d x Tx d x Ty

d y Ty d y Tx

d x y

d x y d x Ty d y Ty



















Điều này kéo theo

1 3 k5d x Ty , n1k5d y x n,  2.8  T

ừ (2.7) và (2.8) suy ra

2 , , (2.9)

2 2

  

Đặt  1 4 5

2

2 2

h

 



Vì 1 3    4 5

2

2k 2  k k   2nên 0 h 1 Đặt a nd y x n, ,c nkd y n1,Ty n

Từ (2.9), ta có :

a d y x kd y Ty kd Ty x ha c

Áp dụng Bổ đề 1, suy ra

a d y x  n  Điều này có nghĩa là y nx n  

.Vậy dãy lặp x n1Tx n là T-dừng

Hệ quả 2 Giả sử các giả thiết của Hệ quả 1

được thỏa mãn Khi đó dãy lặp x n1Tx n là T- dừng

Chứng minh Trong Định lý 2 cho k  1 Khi đó

2

2k 2  (k k )(  )2,

kéo theo    1   3 4 5 1

Theo Định lý 1 ta có điều phải chứng minh

Định lý 3 Cho X, k, dlà không gian kiểu metric với hệ số k1và ánh xạ :T X X thỏa mãn điều kiện F T   và d Tx T x , 2  d x Tx , 2.10 với  x X,0  1 là một hằng số Khi đó ánh xạ

T có thuộc tính (P)

Chứng minh Hiển nhiên, khẳng định trên luôn đúng

với n1

24 KH&CN QUI

Với n1, lấy zF T n Theo giả thiết, ta có

1

d z Tz d TT z T T z

d T z T z

d TT z T T z

d T z T z

nd z Tz n





















Do đó d z Tz , 0 vậy Tzz hay ánh xạ T có tính

chất (P)

Định lý 4 Giả sử các điều kiện của Định lý 1

được thỏa mãn Khi đó ánh xạ T có tính chất P

Chứng minh Ta chứng minh ánh xạ T thỏa mãn

(2.10).Thật vậy, với mỗix  X ta có

2

5

,T

d Tx x d x x

d x Tx d x x

d x x

d x x

d x x d Tx x d x Tx d x Tx

d Tx TTx d Tx Tx

d x x











2

1  k d Tx T x,   k d x Tx, 2.11

Mặt khác, ta có

2

5

2

,

d Tx T x d Tx TTx

d Tx TTx d x Tx

d Tx x

d Tx x

d Tx Tx d x TTx d Tx TTx d Tx Tx

d x Tx d x TTx

d Tx x

d Tx x d Tx T x d x T x

k d Tx x k d Tx T x











Từ đó suy ra

1  k d Tx T x,   k d x Tx, 2.12

Từ (2.11) và (2.12), ta có

2 2   k k d Tx T x,  2 k k d x,Tx .

Do đó

2

2 2

 



2

2 2



 



Do   1  2 3 k4k51 nên 1 Khi đó ánh xạ T thỏa mãn (2.10) Vậy ánh xạ T có tính chất (P)

Hệ quả 3.Giả sử các điều kiện trong Hệ quả 1

được thỏa mãn Khi đó ánh xạ T có tính chất (P)

Chứng minh.Vì Hệ quả 1 là trường hợp đặc biệt của

Định lý 1 và theo Định lý 4, ta có điều phải chứng

minh

3 Kết luận

Trong bài báo này chúng tôi trình bày lại một cách cụ thế khái niệm và một số kết quả trong không gian kiểu metric Các kết quả này có một số ứng dụng vào phương trình vi phân Vì khuôn khổ bài báo không cho phép nên việc ứng dụng chưa được trình bày

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] S Czerwik, (1993) “Contraction

mappings in b-metric spaces” Acta Math

Inform.Univ Ostrav 1, pp 5–11.

[2] Huang, H., Radenovic, S., Deng, G (2018),

"Fixed point theorems in b- metric space with

applications to differential equations."J Fixed Point Theory Appl., doi.org/10.1007/s11784-018-0491-z