1998 ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ МАТЕМАТИКА Є 8 (435) УДК 517.546 Г.Н. КАМЫШОВА ВАРИАЦИОННЫЙ МЕТОД И ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ МОКАНУ В данной работе решена задача об оценке модуля отношения однолистной функции и ее производной, заданных в двух различных вещественных точках круга E = fz : jz j < 1g. При решении использованы вариационный метод Г.М.Голузина и сочетание метода параметрических представлений Левнера с принципом максимума Л.С. Понтрягина. Обозначим через S класс всех голоморфных однолистных в круге E функций f (z ) = z + a2 z 2 + . В 1966 г. П. Мокану на конференции по аналитическим функциям в г. Лодзь (Польша) поставил экстремальную задачу, сводящуюся к задаче о максимуме 0 I (f ) = ff ((zz1)) ; f 2 S: 2 В 1974 г. П. Мокану, М. Рид, Е. Злоткевич [1] оценили I (f ) для типично вещественных f и вещественных z1 , z2 . Позднее эти результаты были обобщены Д. Рипеану для комплексных z1 , z2 из специальных областей в E . Так как экстремальные функции в [1] однолистны, то тем самым решена одновременно задача о максимуме I (f ) при вещественных z1 , z2 в классе SR S однолистных функций с вещественными коэффициентами. Для более общей задачи об экстремуме f 0(r1) при фиксированных значениях f (r1), f (r2) были построены в [2] точные мажоранты с помощью метода модулей семейств кривых. Начиная со статьи [3], в теории однолистных функций успешно применяются методы оптимального управления. Глубокие результаты в этом направлении были получены Д.В. Прохоровым, который предложил рассматривать множества значений систем функционалов в качестве областей достижимости для управляемых систем, индуцированных уравнением Левнера{ Куфарева. Полученные результаты наиболее полно отражены в статье [4] и монографии [5]. Однако задачи об оценках функционалов, сводящиеся к построению проекций множеств достижимости на различные гиперплоскости, приводят к краевым задачам для управляемых систем. Избежать трудностей позволяет применение наряду с методом оптимального управления вариационного метода. Это сочетание было предложено в [6] и позволило сводить краевые задачи к задачам Коши. Вариационным методом и методом оптимального управления в данной работе решена задача об оценке I (f ) в классе S для вещественных z1 , z2 . 1. Дифференциальные уравнения для экстремальных функций Пусть f (z ) | функция, доставляющая максимум функционалу I (f ). С помощью вариационной формулы Г.М. Голузина ([7], с. 120) устанавливаем, что f (z ) 2 S отображает круг E на плоскость с кусочно-аналитическими разрезами и, будучи непрерывно продолженной на замыкание E круга E , удовлетворяет в E дифференциальному уравнению: w(2w1 ; w2) ; w12 dw2 = R(z) dz2 ; (1) w(w1 ; w)2 (w2 ; w) z 35 где w = f (z ), w1 = f (z1 ), w2 = f (z2 ), Az ; z (2 ; zz ) = R(z) = z A; z ; (z ;z z) ; z B; z + 1 Bz ; ; zz 1 ; zz (1 ; zz ) 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 1 2 4 P Ck z k = (z ; z ) (1 ; zz ) (z ; z )(1 ; zz ) ; (2) A = f 00(z )z =f 0(z ), B = f 0(z )z =f (z ), Ck | константы, зависящие от A, B , z , z , C = (A ; Ajz j)z z ; (B ; B jz j)z ; 2jz jz z ; C = (A ; Ajz j)z z ; (B ; B jz j)z ; 2jz jz z + (Im B )(z (1 + jz j) ; z (1 + jz j)): Пусть z = z ei , тогда вместе с f (z ) классу S принадлежит функция f (z) = e;i f (z) = f (z) + i(zf 0(z) ; f (z)) + O( ): k=1 2 1 1 1 1 2 2 1 2 2 2 1 1 0 4 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 2 1 1 1 2 2 1 2 2 1 1 2 2 Пользуясь этой вариационной формулой, устанавливаем, что Im A = Im B: (3) Используем еще одну вариационную формулу в классе S ([8], с. 149) + zei + O(h2 ); 0 < 2; h > 0; f 2 S: f (z) = f (z) + h f (z) ; zf 0(z) 11 ; zei С помощью нее получаем, что для экстремальной функции f (z ) выполняется неравенство ; Re e;i R(e;i ) 0: (4) Так как экстремальная функция f (z ) отображает E на плоскость с разрезом, имеющим по крайней мере одну конечную концевую точку, то R(z ) имеет по крайней мере один двойной нуль 1 , j1 j = 1. Если 2 2 E | простой нуль R(z ), то из равенства z 2 R(z ) = R(1=z ) следует, что 1= 2 также является простым нулем R(z ). С учетом выше сказанного запишем 2 (z ; 2 )(z ; 1= 2 ) : R(z) = (z ;(zz);2 (11;) zz 2 1 1 ) (z2 ; z )(1 ; zz 2 ) Используя условие (4), получаем = C (1 2 );1 , C 0. Таким образом, ;1 2 R(z) = C(z(1;2z))2 (1(z;;zz1 ))2((zz;;2z)()(1z ;;1zz=2)) : (5) 1 1 2 2 Вычисляя коэффициенты при степенях z , получим C0 = C4 . Из этого равенства с учетом условия (3) получаем [(1 ; z1 )(z1 (1 + jz2 j2 ) ; z2 (1 + jz1 j2 ))] Im B = 0. Выражение в квадратных скобках не равно нулю, следовательно, Im B = 0 и отсюда делаем вывод, что константы A; B действительны. Имеет место следующая система уравнений,связывающая параметры A, B с 1 , 2 C (z ; ) (z ; )(z ; 1= ) = z (1 ; jz j ) (z ; z )(1 ; z z ) ; C (z ; ) (z ; )(z ; 1= ) = ;B (1 ; jr j )(z ; z ) (1 ; z z ) ; C = = Az z (1 ; jz j ) ; Bz (1 ; jr j ) ; 2z jz j z ; которая получается из (2), (5) при стремлении z соответственно к z , z , 0. 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 1 1 2 2 2 2 1 2 2 2 1 1 1 1 36 2 2 2 1 2 2 1 2 (6) (7) (8) Теорема 1. Экстремальные функции в задаче о max I (f ), f 2 S , z1 ; z2 2 E , удовлетворяют дифференциальному уравнению w(2w ; w ) ; w dw = R(z) dz w(w ; w) (w ; w) z 1 2 1 2 2 1 2 (9) 2 2 с R(z ) в форме (5) и отображают единичный круг на плоскость с разрезами, имеющими не более двух концевых конечных точек. В случае, когда z1 = r1 , z2 = r2 вещественны, конкретизируем вид R(z ), а также явно выразим некоторые параметры задачи через r1 , r2 . Имеет место равенство C0 = C4 = A(1 ; r12)r1r2 ; B (1 ; r22)r12 ; 2r13r2. Отсюда и из соотношений C0 = (C1)=2 = C=(1 2) = C4 делаем вывод, что arg 2 = ; arg 1 . Таким образом, 1 = ei' , 2 = r0 e;i' , r0 = j2 j, 0 r0 < 1. Система (6){(8) перепишется в виде C (r ; ) (r ; )(r ; 1= ) = r (1 ; r ) (r ; r )(1 ; r r ) ; (10) C (r ; ) (r ; )(r ; 1= ) = ;B (1 ; r )(r ; r ) (1 ; r r ) ; (11) (12) C = = Ar r (1 ; r ) ; Br (1 ; r ) ; 2r r : Выражая B из уравнения (11) c учетом того, что Im B = 0, получаем условие (r ; 1)r (r ; 1) sin ' = 0: Отсюда либо r = 1, либо ' = 0; . Таким образом, доказана Теорема 2. Экстремальные функции в задаче о max I (f ), f 2 S , при z = r , z = r , 0 < r ; r < 1, удовлетворяют дифференциальному уравнению (9) с функцией R(z ) одного из 1 2 1 1 2 2 1 2 2 2 1 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 2 1 2 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 2 1 2 3 1 2 2 0 0 1 1 1 2 2 2 трех видов: ) (z ; ) R(z) = z(r ; z)C(1(z ;;zr ) (r ; z )(1 ; zr ) ; j j = 1; )(z ; 1) (z ; )(z ; 1= ) ; 2 (;1; 1); R(z) = z((rC=r ; z) (1 ; zr ) (r ; z)(1 ; zr ) )(z + 1) (z + )(z + 1= ) ; 2 (;1; 1): R(z) = z((rC=r ; z) (1 ; zr ) (r ; z)(1 ; zr ) 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2 2 0 2 2 2 0 1 1 2 2 2 2 1 2 2 2. Формализация задачи В дальнейшем будем полагать z1 = r1 , z2 = r2 . Перейдем к формализации задачи о максимуме I (f ) в классе S как задачи оптимального управления. Известно, что любая функция класса S представима в виде f (z) = tlim !1 w(z; t); (13) где w(z; t) удовлетворяет дифференциальному уравнению Левнера{Куфарева dw = w(1 ; P (w; t)) dt с начальным условием w(z; 0) = z . Здесь P (w; t) | аналитическая при фиксированном t функция, P (0; t) = 1, которая при почти всех (п. в.) t 2 [0; 1) удовлетворяет условию Re P (w; t) > 0. 37 Обозначим x (t) = log jw(r ; t)j, x (t) = arg w(r ; t), x (t) = log jw(r ; t)j, x (t) = arg w(r ; t), x (t) = jwz0 (r ; t)=w(r ; t)j и выбираем непрерывную по t ветвь arg w(rj ; t), j = 1; 2, так, что при t = 0 значение аргумента равно нулю. Тогда dx = 1 ; Re P (ex1 ix2 ; t) = b (t; P; x ; x ); x (0) = log r ; (14) dt dx = ; Im P (ex1 ix2 ; t) = b (t; P; x ; x ); x (0) = 0; (15) dt dx = 1 ; Re P (ex3 ix4 ; t) = b (t; P; x ; x ); x (0) = log r ; (16) dt dx = ; Im P (ex3 ix4 ; t) = b (t; P; x ; x ); x (0) = 0; (17) dt dx = Re(P (ex3 ix4 ; t) ; P (ex1 ix2 ; t); dt ; ex1 ix2 Pw0 (ex1 ix2 ; t)) = b (t; P; x ; x ; x ; x ); x (0) = ; log r : (18) Для нахождения max I (f ) cначала рассмотрим задачу о нахождении границы множества до1 5 1 1 2 1 3 2 4 2 2 1 + 2 1 + 3 2 + 4 1 3 + 5 1 1 2 3 4 + 2 3 1 2 4 3 4 2 4 + + + 5 1 2 3 4 5 2 стижимости для управляемой динамической системы (14){(18). Следуя принципу максимума Л.С. Понтрягина [9], рассмотрим функцию H (t; P; x; ) = 5 X k=1 b; k k = ( 1 ; : : : ; 5 ); x = (x1 ; : : : ; x5 ); где функции j , j = 1; 5, являются решением сопряженной гамильтоновой системы d j = ; @H ; j = 1; 5: dt @xj Запишем сопряженную гамильтонову систему в виде d( 1 ; i 2 ) = ( ; i + 2)P 0 wj 00 z r1 + w Pw jz r1 ; w dt d( ; i ) = ( ; i + 1)P 0 wj : z r2 w dt 3 4 1 2 = 3 4 = 2 = Задача об оценке I (f ) эквивалентна поиску проекции множества достижимости x(1) на прямую x5(1). Вектор (1) является ортогональным к опорной плоскости для этого множества достижимости, следовательно, в задаче на max I (f ), не уменьшая общности, можно положить 5 = 1. В этом случае возникают условия трансверсальности на правом конце k (1) = 0, k = 1; 4. Из дифференциального уравнения Левнера{Куфарева получаем 0 w00 d w w d 2 w z 0 2 00 wP = log ; w P = ; z : w dt wz0 w wz0 dt w wz0 Делая замену и решая данную систему с учетом условий трансверсальности, находим 00 f (r1 ) ; wz00 w ; f 0(r2 )w + 1; ; i = ; i = ; 1 2 4 5 = 1; f 0(r2 ) wz0 wz0 z=r1 3 f (r2)wz0 z=r2 ( 1 ; i 2 )(0) = A; ( 3 ; i 4 )(0) = ;B + 1: (19) Из теоремы 2 следует, что экстремальная функция отображает единичный круг на плоскость с разрезами, имеющими не более двух концевых конечных точек, а прообраз концевой конечной точки является двойным нулем соответствующего квадратичного дифференциала в правой 38 части дифференциального уравнения теоремы 2. Следовательно, функция P (w; t) в уравнении Левнера{Куфарева имеет один из двух видов: + k(t)e;t w ; jk(t)j = 1; P (w; t) = 11 ; (20) k(t)e;t w ;t w ;t w 1 + k 1 + k 1 (t)e 2 (t)e P (w; t) = (1 ; ) 1 ; k (t)e;t w + 1 ; k (t)e;t w ; 0 < < 1: (21) 1 2 Будем понимать непрерывные функции k(t), k1 (t), k2 (t), t 2 [0; 1), как управления. Существование оптимальных управлений гарантируется существованием экстремальной функции f (z ). Тогда из теоремы 2 и геометрического смысла управлений следует, что возможны лишь три случая: a) k (0) = 1, б) k (0) = ;1, в) k1 (0) = k2 (0). 3. Решение экстремальной задачи Для 0 < r1 < r2 < 1 случай в) места не имеет, т. к. при этом правая часть равенства (10) C jr1 ; 1j2 = r1(1 ; r12)2 (r1 ; r2 )(1 ; r1r2) строго отрицательна, что приводит к противоречию. Таким образом, в этом случае экстремальная функция отображает единичный круг на плоскость с разрезом, имеющим одну концевую конечную точку. Тогда P (w; t) имеет вид (20), т. е. вместо дифференциального уравнения Левнера{Куфарева рассматриваем дифференциальное уравнение Левнера. Исходя из принципа максимума Л.С. Понтрягина, для таких P (w; t) и экстремальных k имеем Таким образом, @H @k k w 2 2w =k 3 = 0: w 2 Re ( 1 ; i 2 ) (1 ; e;t wk ) z=r + (1 ; e;t wk ) z=r + ( 3 ; i 4 ; 1) (1 ; e;t wk ) z=r = 0: 1 1 2 Отсюда при t = 0, а также учитывая k (0) = 1 и (19), получим уравнение Re A (1 ;rr1 )2 + (1 ;2rr1 )3 ; B (1 ;rr2 )2 = 0: (22) 1 1 1 1 2 1 Параметры A и B зависят от значения k (0) = 1 , которое определяется условием a) или б). Рассмотрим систему (10){(12), (22) при k (0) = 1 = 1, 2 = r0 , обозначая при этом A = A0 , B = B0 , (C=r0 )(r1 ; 1)2 (r1 ; r0 )(r1 ; 1=r0 ) = r1 (1 ; r12 )2 (r1 ; r2 )(1 ; r1 r2 ); (100 ) (C=r0 )(r2 ; 1)2 (r2 ; r0 )(r2 ; 1=r0 ) = ;B0 (1 ; r22 )(r1 ; r2 )2 (1 ; r1 r2 )2 ; (110 ) C=r0 = A0r1r2 (1 ; r12) ; B0r12(1 ; r22) ; 2r13r2; (120 ) r 2 r r 1 1 2 Re A0 (1 ; r )2 + (1 ; r )3 ; B0 (1 ; r )2 = 0: (220 ) 1 1 2 Из уравнения (100 ) находим C = r1 (1 + r1)2(r1 ; r2)(1 ; r1r2) : r0 (r1 ; r0 )(r1 ; 1=r0 ) Подставляя C=r0 в (110 ), имеем 2 ; r1r2) (r2 ; r0)(r2 ; 1=r0 )(1 ; r2) : B0 = ; r1(1 +(r r1;) r(r)(1 ;r r;2 )(1 (23) 1 =r (r1 ; r2 )2 (1 ; r1 r2 )2 (1 + r2 ) 1 0 1 0) 39 Подставляя C=r0 ; B0 в (120 ), получим 2 ; r1r2) A0 = r1(1 +(r r1;) r(r)(1 ;r r;2 )(1 1=r0 ) 1 0 1 ) + 2r : (24) r r (11; r ) ; (rr (1;;1)r r)((rr ;;rr ))((1r ;;r1=r r) 1;r Подставляя найденные таким образом A , B в уравнение (220 ), после соответствующих вычислений получим относительно r уравнение r + 1=r = M=N , где ; r r ) + (r + 1)(1 + r ) M = (1 + r )(rr(1;;rr)(1 ) (r ; r )(1 ; r r ) ; 1) + 2(r + 1)(r + r + 1) ; 1 ;r r ; r (1r;(rr )(1 ;r ) (1 ; r ) (1 + r ) r (1 + r ) r r ( r ; 1) N = (r ; r )(1 ; r r ) 1 ; r ; r (1 ; r )(1 ; r ) + (12r;(rr )+(1r ++r1)) : 2 2 2 1 1 2 0 1 2 3 2 2 Тогда 1 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 3 1 2 2 1 1 1 3 1 C = r (1 ; r )(1 ; r r )(1 ; r )N r (1 + r r ) (r + 1)N ; r M = (r ; r )(1 ; r r )(1 + r ) : N (1 ; r ) (1 + r )N 2 1 1 2 2 1 2 0 и 2 1 0 2 2 1 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 1 1 1 2 1 0 0 2 2 1 2 1 2 2 2 0 2 2 0 0 1 1 2 1 1 2 2 2 2 1 2 2 1 1 2 1 3 1 Подставляя найденные выражения в (23), (24), после соответствующих вычислений получим r2)2 (1 + r12) ; B0 = ; (1 +rr1(1r ; 2 1 2 )(r1 ; r2 )(1 ; r1 ) 2 2 2 r1 + 1) + 2r12 : A0 = (1 +(1r +r r)(1r) r;2 r ) ; (12r+1(1r r;)(r2r)(r;1 r+)(1 ; r2 ) 1 ; r2 1 2 1 2 Далее рассмотрим систему (10){(12), A = A , B = B , 1 2 1 2 1 1 (22) при k (0) = 1 = ;1, 2 = ;r0 , обозначая при этом (C=r0 )(r1 + 1)2 (r1 + r0 )(r1 + 1=r0 ) = r1 (1 ; r12 )2 (r1 ; r2 )(1 ; r1 r2 ); (C=r0 )(r2 + 1)2 (r2 + r0 )(r2 + 1=r0 ) = ;B (1 ; r22 )(r1 ; r2 )2 (1 ; r1 r2 )2 ; C=r0 = A r1r2 (1 ; r12) ; B r12(1 ; r22) ; 2r13r2; 2 r r r 1 2 1 Re A (1 + r )2 + (1 + r )3 ; B (1 + r )2 = 0: 1 1 2 Проводя рассуждения, аналогичные предыдущим, из системы (1000 ){(1200 ), (2200 ) находим r2)2 (1 + r12) ; B = ; (1 +rr1(1r + 2 1 2 )(r1 ; r2 )(1 + r1 ) 2 2 2 r1 + 1) + 2r12 : A = (1 +(1r ;r r)(1r) r;2 r ) ; (12r+1(1r r;)(r2r)(r;1 r;)(1 ; r2 ) 1 ; r2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 Выбор начальных условий A0 , B0 или A , B зависит от знака разности H (0; 1; x; (A0 ; B0 )) ; H (0; ;1; x; (A ; B )): Второе заключение принципа максимума Понтрягина состоит в том, что H (t; k (t); x; )= Z t X 5 40 1 k=1 @bk dt: k @t 1 (1000 ) (1100 ) (1200 ) (2200 ) Отсюда при t = 0 получаем 1 Z H (k (0); x; ) = Re 0 @wPw @P ( 1 ; i 2 + 1) @P @t + @t + ( 3 ; i 4 ; 1) @t dt = = A(k (0)) ; B (k (0)) + 1: 0 Таким образом, H (0; 1; x; (A ; B )) ; H (0; ;1; x; (A ; B )) = A ; A + B ; B : 0 0 0 0 Подставляя A0 , B0 , A , B , найденные ранее, запишем H (k (0); x; (A ; B ))k 0 0 (0)=1 ; H (k(0); x; (A ; B ))k 8r12 (r1 ; r2 ) < 0: = (0)=;1 (1 + r r )(1 ; r2 )2 1 2 1 Следовательно, при 0 < r1 < r2 < 1 k (0) = ;1. Итак, P в функции H (t; P; x; ) дается формулой (20) и k (t) | единственный корень урав нения @H @k = 0, удовлетворяющий условию k (0) = ;1. Пусть (x1 (t); : : : ; x5 (t)) | решение задачи Коши dx = b (t; k ; x ; x ); x (0) = log r ; dt dx = b (t; k ; x ; x ); x (0) = log r ; dt dx = b (t; k ; x ; x ; x ; x ); x (0) = ; log r ; dt 1 3 5 1 1 2 1 1 3 3 4 3 2 5 1 2 3 4 5 dx = b (t; k ; x ; x ); x (0) = 0; dt dx = b (t; k ; x ; x ); x (0) = 0; dt 2 4 2 1 2 2 4 3 4 4 2 d j = ; @H ; j = 1; 5; ( ; i )(0) = A ; ( ; i )(0) = ;B + 1; dt @xj k k 1 = 2 3 4 0 0 5 (0) = 1: В случае 0 < r2 < r1 < 1 можем записать ff ((rr21)) = ff ((rr11)) ff ((rr21 )) . Оценки функционалов 0 f (r1 ) f (r1 ) f (r1 ) , f (r2 ) были найдены ранее ([8], cc. 33, 81), а также было показано, что в этом случае экстремальной является функция Кебе f (z ) = z=(1 ; z )2 . Таким образом, доказана Теорема 3. Пусть f 2 S , тогда a) если 0 < r1 < r2 < 1, то б) если 0 < r2 < r1 < 1, то f 0(r ) x(1); f (r ) 1 5 2 f 0(r ) (1 ; r ) (1 + r ) : f (r ) r (1 ; r ) 1 2 2 2 2 1 1 3 Экстремальные функции в случаях a) и б) отображают единичный круг на плоскость с разрезом, имеющим одну концевую конечную точку, в частности, в случае б) это функция Кебе f (z) = z=(1 ; z)2 . 41 Литература 1. Mocanu P., Reade M., Zlotkiewicz E. On the functional [f (z1 )=f 0 (z2 )] for typically-real functions // Math. Rev. anal. numer. et teor. approxim. { 1974. { V. 2. { Є 2. { P. 209{214. 2. Васильев А.Ю., Камышова Г.Н. Модули полосообразных областей в решении изопериметрической задачи конформного отображения // Сиб. матем. журн. { 1996. { T. 37. { Є 1. { C. 60{ 69. 3. Александров И.А., Попов В.И. Оптимальные управления и однолистные функции // Ann. Univ. M. Curie-Sklodowska. { 1968{1970. { Ser. A. { T. 22{24. { P. 13{20. 4. Прохоров Д.В. Множества значений систем функционалов в классах однолистных функций // Матем. сб. { 1990. { Т. 181. { Є 12. { С. 1659{1677. 5. Prokhorov D.V. Reachable set methods in extremal problems for univalent functions. { Saratov: Saratov Univ., 1993. { 228 p. 6. Васильев А.Ю. Вариационные методы и изопериметрические теоремы покрытия для однолистных функций // Изв. вузов. Математика. { 1988. { Є 1. { C. 14{18. 7. Голузин Г.М. Геометрическая теория функций комплексного переменного. { 2-е изд. { М: Наука, 1966. { 628 c. 8. Милин И.М. Однолистные функции и ортонормальные системы. { М.: Наука. { 1971. { 256 c. 9. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко E.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. { М.: Наука, 1976. { 392 с. Саратовский государственный университет Поступила 26.09.1995 42
1/--страниц