参数广义弱向量拟平衡问题解映射的H-连续性刻画*

邵重阳,彭再云,王泾晶,周大琼

(重庆交通大学 数学与统计学院,重庆 400074)

摘要:研究了Hausdorff拓扑向量空间中的一类参数广义弱向量拟平衡问题(PGWVQEP)的稳定性.首先,给出了此问题的参数间隙函数,研究了参数间隙函数的连续性.然后, 提出了一个与参数间隙函数相关的关键假设,讨论了它的连续性,并给出关键假设的等价刻画.最后,借助于假设,获得了PGWVQEP解映射Hausdorff半连续的充分必要条件.并举例验证了所得结果.

关 键 词:参数广义弱向量拟平衡问题; 解映射; 参数间隙函数; Hausdorff下半连续; Hausdorff连续

引 言

1994年,Blum和Oettli[1]首先提出了平衡问题的数学模型.随后,这一模型于1997年在文献[2-3]中被推广到向量情形,即向量平衡问题.众所周知,向量平衡问题为向量变分不等式问题、向量互补问题、向量优化问题和向量鞍点问题等众多问题提供了一个统一的研究框架.一般而言,将带约束条件的向量平衡问题称为向量拟平衡问题.向量(拟)平衡问题为向量(拟)优化问题、向量(拟)鞍点问题、向量(拟)互补问题及向量(拟)变分不等式等问题提供了统一的模型.因而,近年来受到国内外众多专家学者的重视而被广泛研究.

在优化问题中,向量变分不等式和向量平衡问题领域,对解集稳定性的研究是非常有趣和重要的课题.在相关研究中,有大量关于优化问题、向量变分不等式问题或向量平衡问题(见文献[4-13]和相关文献)解集稳定性的论文.在有限维空间中,Li和Chen[14]提出了一个假设Hg,并通过假设Hg,获得了一类参数弱向量变分不等式解映射Hausdorff下半连续的充分性条件.在Banach空间中,Chen和Li[15]给出了一个类似的条件(记为Hg1),并运用Hg1得到了参数集值弱向量变分不等式(PSWVVI) 解集映射Hausdorff下半连续的充分性条件.Chen等[16]将文献[14-15]的问题扩展到PGVQVI问题,借助假设Hg2对其进行了研究.注意到,上述文献中主要研究了解集映射Hausdorff下半连续的充分性条件.然而在实际问题研究与算法构造中,对解集映射Hausdorff半连续的必要性进行研究也是非常有趣的,也即是说,解映射是Hausdorff下半连续的能否得到类似条件Hg成立?在Banach空间中,Zhong和Huang[17]从一个侧面回答了这个问题,证明了条件Hg3不仅是参数集值弱向量变分不等式解集映射Hausdorff下半连续的充分条件,也是其必要条件.最近,针对Hausdorff 拓扑向量空间中的两类参数向量拟平衡问题,Anh和Hung[18]给出了两个关键假设Hp(γ0)和Hh(γ0),并证明了它们分别是这两类问题解映射Hausdorff连续的充分必要条件.

受文献[18-19]的启发,本文借助参数间隙函数h(x,γ)讨论一类参数广义弱向量拟平衡问题解映射的Hausdorff连续性.首先,定义该问题并给出适当的非线性标量化函数.其次,给出参数间隙函数并讨论其连续性.最后,研究参数向量拟平衡问题解映射的Hausdorff连续性,并且举例说明所得结果的正确性.由此获得了一些较新的结果.

1 预 备 知 识

本文均假设XYZP是局部凸Hausdorff拓扑向量空间.AXBYΓP是非空子集.假设集值映射C:X→2Z对任意xX,有C(x)是Z中的闭凸锥且intC(x)≠∅.K:A×Γ→2AT:A×Γ→2B是集值映射.f:A×B×A×ΓZ是均衡函数,即f(x,t,x,γ )=0对任意xAtBγΓ恒成立.

考虑如下PGWVQEP: 存在xK(x,γ)和tT(x,γ),对任意γΓ满足

f(x,t,y,γ )∈Z\-intC(x), ∀yK(x,γ ).

特殊情形

1) 如果f(x,t,y,γ)f(x,t,y),则PGWVQEP模型退化为Zhong和Huang[19]的模型;

2) 如果f(x,t,y,γ)t,y-x〉,则PGWVQEP模型退化为Chen等[16]的广义参数向量拟变分不等式;

3) 若XRmYRnZR,C(x)R+K(x,γ)AT(x,γ)T(x),f(x,t,y,γ)t,y-x〉,则PGWVQEP模型退化为Aubin和Ekeland[20]的Stampacchia变分不等式.

对任意的γΓ,记E(γ)={xX:xK(x,γ)}.用S(γ)表示PGWVQEP的解集,其中S(γ)={xE(γ):∃tT(x,γ),s.t.f(x,t,y,γ)∈Z\-intC(x),∀yK(x,γ)}.在本文中,假设S(γ)非空.

下面,回顾一些与连续性相关的概念及性质.

定义1[20-21]XY是拓扑向量空间,G:X→2Y是集值映射.

G在点x0X处是下半连续(lsc)的,如果对任意满足VG(x0)≠∅的开集VY,都存在x0的邻域U(x0),使得对任意的xU(x0)有VG(x)≠∅;

G在点x0X处是上半连续(usc)的,如果对Y中任意包含G(x0)的开集V,都存在x0的邻域U(x0),使得对任意的xU(x0)有G(x)⊆V

G在点x0X处是Hausdorff上半连续(H-usc)的,如果对Y中原点的任意开邻域B,存在x0 的邻域U(x0)⊆X,使得G(x)⊆G(x0)+B,∀xU(x0);

G在点x0X处是Hausdorff下半连续(H-lsc)的,如果对Y中原点的任意开邻域B,存在x0的邻域U(x0)⊆X,使得G(x0)⊆G(x)+B,∀xU(x0);

G在点x0X处是连续的,如果G在点x0X既是usc的,又是lsc的;

G在点x0X处是Hausdorff连续的,若G在点x0X既是H-usc的,又是H-lsc的;

G在点x0X处是闭的,若对网{(xn,yn)}⊆graphG{ (x,y)|yG(x),(xn,yn)→(x0,y0)}有(x0,y0)∈graphG

GX上是lsc(resp. usc、H-lsc、H-usc)的,如果它在任意的x0X都是lsc(resp. usc、H-lsc、H-usc)的.称GX上是连续(H-连续)的,如果它在X上既是usc(H-usc)的,又是lsc(H-lsc)的.

引理1[20-21]XY是拓扑向量空间,G:X→2Y是集值映射.

如果G在点x0X处是usc的,则G在点x0处是H-usc的.反之,如果G在点x0处是H-usc的且G(x0)是紧的,则G在点x0处是usc的.

如果G在点x0X处是H-lsc的,则G在点x0处是lsc的.反之,如果G在点x0处是lsc的且G(x0)是紧的,则G在点x0处是H-lsc的.

G在点x0X处是lsc的,当且仅当对X中任意满足xαx0的网{xα}和任意y0G(x0)有yαG(xα)使得yαy0

G具有紧值,则G在点x0X处是usc的,当且仅当对X中任意满足xαx0的网{xα}和满足的yαG(xα)的网{yα},有y0G(x0)和一个子网{yβ} ⊂{yα},使得yβy0

引理2[22-23]XY是凸Hausdorff拓扑向量空间.集值映射C:X→2Y对任意xX,有C(x)是Y中的闭凸锥且intC(x)≠∅.e:XY是集值映射intC(·)的连续选择,即,e(·)是连续的,且e(x)∈intC(x).设集值映射V:X→2YV(x)=Y\-intC(x).定义非线性标量化函数ξe:X×Y→R为ξe(x,y)=min{r∈R:yre(x)-C(x)},则

VC是usc的,则ξe(·,·)是连续的;

ξe(x,y)<ryre(x)-intC(x);

ξe(x,y)≥ryre(x)-intC(x).

2 PGWVQEP的参数间隙函数

在本节中,将介绍PGWVQEP的参数间隙函数,并讨论它的重要性质.在本文中假设KTA×Γ上连续且具有紧值,VCX上是usc的,fA×B×A×Γ上是连续的.

定义2 称函数g:A×Γ→R是PGWVQEP的参数间隙函数,若

g(x,γ)≤0, ∀xK(x,γ);

g(x,γ)=0 ⟺xS(γ).

对任意γΓ,定义函数h:A×Γ→R如下:

xK(x,γ).

因为对任意(x,γ)∈A×Γ,有K(x,γ)和T(x,γ)是紧集,ξef是连续的,故h是良定的.

定理1 h(x,γ)是PGWVQEP的参数间隙函数.

定义函数ψ:E(ΓB×Γ→R如下:

xE(Γ),tB,γΓ,

其中

易知ψ(x,t,γ)≤0.反证法.假设存在(x0,t0,γ0)∈E(γ0B×Γ使得ψ(x0,t0,γ0)> 0,则

ξe(x0,f(x0,t0,y,γ0)), ∀yK(x0,γ0).

对任意给定的e(x0)∈C(x0),当y=x0时,有

ξe(x0,f(x0,t0,x0,γ0))=ξe(x0,0)=

min{r∈R:0re(x0)-C(x0)}=

min{r∈R: -re(x0)∈-C(x0)}=

min{r∈R:r≥0}=0,

其与假设ψ(x0,t0,γ0)>0矛盾,故

ψ(x,t,γ)≤0.

于是可得

xK(x,γ).

ξef的连续性及T的紧性知,对于∀γΓ,h(x,γ)=0 当且仅当存在t′∈T(x,γ)使得

ψ(x,t′,γ)=0,

则有

ξe(x,f(x,t′,y,γ))≥0, ∀yK(x,γ).

由引理2知,此不等式成立当且仅当对任意yK(x,γ)有

f(x,t′,y,γ)∉-intC(x),

f(x,t′,y,γ)∈Z\-intC(x),

xS(γ).

注1 相比于其他文献,本文的参数间隙函数h是明显不同的.就文献[19]而言,它的参数间隙函数不受参数γ扰动,同时要求t具有任意性,而本文中的函数受参数γ扰动,而且只要求t具有存在性.

定理2 hA×Γ上是连续的.

先证明hA×Γ上是下半连续的.对任意a∈R,取序列(或网){ (xα,γα)}⊂X×Γ,满足(xα,γα)→(x0,γ0),h(xα,γα)≤a,即

T的紧性知,存在tαT(xα,γα)使得

因为ξe是连续的,在X×Γ上,K连续且具有紧值,故存在yαK(xα,γα),使得

(1)

KT是usc的且具有紧值,不失一般性,假设yαy0K(x0,γ0),tαt0T(x0,γ0).对式(1)取极限有

ξe(x0,f(x0,t0,y0,γ0))≤a

于是对t0T(x0,γ0)有

因此

这表明, 对任意a∈R,水平集{(x,γ):h(x,γ)≤a}是闭的,即h是下半连续的.

然后证明h是上半连续的.对任意b∈R,取序列{ (xα,γα)} ⊂X×Γ满足(xα,γα)→(x0,γ0),h(xα,γα)≥b.有

对任意α,任意tT(xα,γα),有

(2)

任取t0T(x0,γ0),因TX×Γ上连续且具有紧值,由式(2)知,存在tαT(xα,γα)满足tαt0,使得

(3)

任取y0K(x0,γ0),因KX×Γ上是lsc的且是紧的,由式(3)知,存在yαK(xα,γα)满足yαy0,使得

ξe(xαf(xα,tα,yα,γα))≥b

(4)

因为ξef的连续性,则对式(4)取极限有

ξe(x0,f(x0,t0,y0,γ0))≥b

因此,由y0t0的任意性和KT的紧性知

这表明, 对任意b∈R,水平集{(x,γ):h(x,γ)≥b}是闭的,即h是上半连续的.

综上所述,hA×Γ上是连续的.

3 PGWVQEP解集映射的Hausdorff连续性

在这部分,建立PGWVQEP解映射Hausdorff连续的充要条件.

定理3 假设A是紧集,KA×Γ上连续且具有紧值,TA×Γ上是usc的且具有紧值.则SΓ上既是usc的,又是闭的且具有紧值.

(a) 反证法.假设S在点γ0Γ处不是usc的.则存在包含S(γ0)开集UΓ中满足γαγ0的网{γα},使得存在xαS(γα)\U对任意α都成立.

xαAA是紧集,则xαx0AKA×Γ上连续且具有紧值,故K在点(x0,γ0)处是闭的,又因xαK(xα,γα),则x0K(x0,γ0).

现证明x0S(γ0).假设x0S(γ0).因为xαS(γα),故存在tαT(xα,γα),使得

f(xα,tα,y,γα)∈Z\-intC(xα), ∀yK(xα,γα).

(5)

由于T在点(x0,γ0)处是usc的且具有紧值,不失一般性,假设tαt0T(x0,γ0).由假设x0S(γ0)知,存在y0K(x0,γ0)使得

f(x0,t0,y0,γ0)∈-intC(x0).

(6)

K在点(x0,γ0)的下半连续性知,存在yαK(xα,γα)使得yαy0.由yαK(xα,γα),由式(5)知

f(xα,tα,yα,γα)∈Z\-intC(xα).

(7)

结合xαyαtαγα的收敛性,f的连续性,C(·)的闭性和式(7),有

f(x0,t0,y0,γ0)∈Z\-intC(x0),

这与式(6)矛盾,故假设x0S(γ0)不成立,即x0S(γ0)⊂U.这与对任意αxαU成立矛盾,因此SΓ上是usc的.

(b) 记γ0Γ是任意的,假设{γα} ⊂ΓxαS(γα),(xα,γα)→(x0,γ0).用(a)类似的方法,易知x0S(γ0),因此SΓ上是闭的.

(c) 因为SΓ上是闭的,所以对任意γΓS(γ)是A中的闭子集.由A的紧性,S是具有紧值的.

下面通过例1来说明定理3中关于K连续的假设是必要的.

例1X=Y=Z=P R,A=B [-3,3],Γ[0,3],C(x)R+K(x,γ)[-3,γ),T(x,γ)[0,3],且f(x,t,y,γ)x(y -x).

容易验证除K不是usc的以外,定理3的所有条件均满足.但是由usc的定义知,K不是usc的.因为当γ0 =0时,K(x,γ0)=K(x,0)[-3,0),取V=(-4,0)⊃[-3,0)=K(x,0),对(x,γ0)任意的邻域U,有γ1>0和(x,γ1)∈U,使得K(x,γ1)=[-3,γ1)V,即K(x,γ1)⊄V

通过直接计算,可得

现在验证S(γ)在Γ上不是usc的.因为当γ0=0时,取S(0)={-3},对任意γ0的邻域都有使得由定义1知,S(γ)在γ0处不是usc的.因此,定理3中关于K连续的假设是不可或缺的.

推论1 若满足定理3的条件,结合引理1中,易知SΓ上是H-usc的.

受文献[4,14,16,19]的启发,给出如下的关键假设.

Hh: 给定γ0Γ,对X中原点的任意开邻域U,存在常数ρ>0和γ0一个邻域V(γ0),使得对任意的γV(γ0)和xE(γ)\(S(γ)+U),有h(x,γ)≤-ρ

接下来,研究Hh的性质特征.

定理4 假设KTA×Γ上连续且具有紧值,对于X中原点的任意开邻域U,记

ΨU(γ)

Hh成立当且仅当对X中原点的任意开邻域U,有

Hh成立,即对于X中原点的任意开邻域U,存在ρ> 0和γ0的一个邻域V(γ0),对任意γV(γ0)和xE(γ)\(S(γ)+U),有h(x,γ)≤-ρ,这就意味着对任意γV(γ0),都有ΨU(γ)≤-ρ,因此

反之,对于X中原点的任意开邻域U,若

则存在γ0的一个邻域V(γ0),对任意γV(γ0)都有

因此,对任意xE(γ)\(S(γ)+U),有

h(x,γ)≤-ρ

Hh成立.

下面,借助于假设Hh,获得PGWVQEP解映射H-lsc的充分必要性结果.

定理5 假设A是紧集,KTX×Γ上是连续的且具有紧值,fA×B×A×Γ上是连续函数,则SΓ上是H-lsc的,当且仅当对任意γ0Γ,假设Hh成立.

(a) 反证法.假设Hh成立,但Sγ0Γ处不是H-lsc的,则存在X中原点的邻域U,网{xα}和收敛到γ0的网{γα}满足

xαS(γ0)\(S(γα)+U).

(8)

由定理3知,S(γ0)是紧集,存在x0S(γ0)使得xαx0.因为UX中原点的邻域,所以存在X中原点的均衡开邻域B0(即λB0B0,∀λ∈[-1,1])使得B0+B0+B0U(见文献[20]).因此,对任意ε∈(0,1],有(x0+εB0)∩E(γ0)≠∅(x0+εB0x0的平移). 因为K在点(x0,γ0)是下半连续的,故存在收敛于x0xαK(xα,γα).取{xα}的子列{xβ}使之满足:对任意β,都有xβ∈(x0+εB0)和(x0+εB0)∩E(γβ)≠∅成立.记ζβ∈(x0+εB0)∩E(γβ),则有ζβS(γβ)+B0.否则存在δβS(γβ)使得ζβ-δβB0.因为B0是均衡邻域,故有xβ-x0B0,且

xβ-δβ=(xβ-x0)+(x0-ζβ)+(ζβ-δβ)∈B0+B0+B0U

这就意味着xβS(γβ)+U,与式(8)矛盾.因此

ζβS(γβ)+B0

由假设Hh成立知,存在ρ> 0使得h(ζβ,γβ)≤-ρ.因为ζβ∈(x0+εB0),所以x0∈(ζβ+B0).对于B0,由定理2知,hX×Γ上是连续的,因此

h(x0,γ0)≤-ρ<0,

因此由KT的紧性知,存在t0T(x0,γ0),y0K(x0,γ0)满足

ξe(x0,f(x0,t0,y0,γ0))< 0.

由引理2知

f(x0,t0,y0,γ0)∈-intC(x0),

这与x0S(γ0)相矛盾,故SΓ上是H-lsc的.

(b) 假设SΓ上是H-lsc的,但Hh在某些点γ0Γ不成立.由定理4知,存在X中原点的一个邻域U,满足lim supγγ0ΨU(γ)=0(ΨU(γ)与定理4中定义相同),则存在满足γαγ0的网{γα}⊂Γ使得

(9)

因为E(γα)\(S(γα)+U)是紧集且h是连续的,所以存在xαE(γα)\(S(γα)+U)满足ΨU(γα)=h(xα,γα).由式(9)有

K是连续的且具有紧性,不妨设xαx0K(x0,γ0).由h的连续性,有h(x0,γ0)=0且x0S(γ0).故对任意δS(γ0),可以找到一个网{δα},δαS(γα),满足δαδ.又因为xαE(γα)\(S(γα)+U),所以有xα-δαU,取极限有x0-δU.这与x0S(γ0)矛盾,故Hh对任意γ0Γ都满足.

下面,分别给出例2和3来验证定理5.

例2X=Y=PR,Z R2A=B [0,3],Γ [0,1],C(x)[0,1],T(x,γ)[γ,1],f(x,t,y,γ)((y-xt-1-5,(y-xt-1),π为圆周率.

不难验证定理5的条件都满足.直接计算

yK(x,γ)

S(γ)={0}.显然,S是Hausdorff连续的.

下面验证对任意γ0ΓHh是成立的.取

对任意xK(x,γ),h(x,γ)≤0,且当x=0时,h(x,γ)=0.显然,h是PGWVQEP的参数间隙函数.对任意给定的γ0ΓUε(0)=(-εε)和0<εγ0,取ρ=ε和足够小的δ,有

h(x,γ)≤-ρ,∀γ∈(γ0-δ,γ0+δ),

xE(γ)\(S(γ)+Uε(0))=[ε,1],

即对任意γ0ΓHh是成立的.

例3X=Y=Z=P R,A=B [-3,3],Γ [0,1],C(x)R+K(x,γ)[-1,1],T(x,γ){x2+γ2},f(x,t,y,γ)t(y-x).

直接计算得

因此,S(γ)在Γ上不是H-lsc的.现在验证Hh在点γ0=0处不成立.取e(x)=1∈int R+.有

对任意原点的邻域U=(-ε,ε)和ρ> 0,其中0<ε<1,取收敛于0的序

因此,Hh在点γ0=0处不成立.

现在,结合定理3、5和引理1可获得PGWVQEP解映射Hausdorff连续的充分必要条件.

定理6 假设定理3和定理5中的条件都满足,则SΓ上是Hausdorff连续的当且仅当对任意γ0ΓHh成立.

若满足定理3中的条件,则SΓ上是usc的,又是闭的且具有紧值.结合引理1中,有SΓ上是H-usc的.

若又满足定理5的条件,故若对任意γ0ΓHh是满足的,则SΓ上是H-lsc的.再结合定义1中知,SΓ上是Hausdorff连续的.

SΓ上是Hausdorff连续的,则SΓ上是H-lsc的.由定理5知,对任意γ0ΓHh是满足的.

最后,给出例4来说明定理6.

例4X=P R,Y=Z R2A [0,6],B( 1 ,[-1,1])TΓ [0,1],C(x)[2,5],T(x,γ)(1,[γ2,1])Tf(x,t,y,γ)2(y-x)t

易知定理4的所有条件都满足.通过直接计算得解映射S(γ)={2}.显然S是Hausdorff连续的.下面,验证假设Hh是满足的.取

对任意xK(x,γ),h(x,γ)≤0,且当x=2时,h(x,γ)=0.显然,h是PGWVQEP的参数间隙函数.对任意给定的γ0ΓUε(0)=(-εε)和0<εγ0.取ρ=2ε和足够小的δ,有

h(x,γ)≤-ρ

γ∈(γ0-δ,γ0+δ), ∀xE(γ)\(S(γ)+Uε(0))=[2+ε,5],

即,对任意γ0ΓHh是成立的.

4 结 论

本文主要研究了Hausdorff拓扑向量空间中的一类参数广义弱向量拟平衡问题(PGWVQEP)解映射的H-连续性,给出了一个关键假设及其等价刻画,运用非线性标量化函数,获得了PGWVQEP解映射H-连续的充要条件.能否在一般序集下研究PGWVQEP或相关问题的稳定性,这将是下一个值得深入研究的课题.

致谢 本文作者衷心感谢重庆交通大学校级创新团队项目;重庆交通大学校内培育基金(2018PY21)及重庆交通大学创新创业训练项目(201810618104)对本文的资助.

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Characterizations of H-Continuity for Solution Mapping to Parametric Generalized Weak Vector Quasi-Equilibrium Problems

SHAO Chongyang, PENG Zaiyun, WANG Jingjing, ZHOU Daqiong

(College of Mathematics and Statistics,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China)

Abstract: The stability of a class of parametric generalized weak vector quasi-equilibrium problems (PGWVQEP) in Hausdorff topological vector spaces, were studied. First, a parametric gap function for the problem was given, and the continuity property of the function was studied. Next, a key hypothesis related to the gap function for the considered problem was presented, the characterizations of this hypothesis were discussed, and an equivalence theorem for the key hypothesis was given. Finally, by means of the hypothesis, the sufficient and necessary conditions for the Hausdorff semicontinuity of the solution mapping to PGWVQEP were obtained. Examples were given to verify the obtained results.

Key words: parametric generalized weak vector quasi-equilibrium problem; solution mapping; parametric gap function; Hausdorff lower semicontinuity; Hausdorff continuity

Foundation item: The National Natural Science Foundation of China(11431004;11471059)

中图分类号:O224

文献标志码:A

DOI: 10.21656/1000-0887.390198

文章编号:1000-0887(2019)04-0452-11

应用数学和力学编委会,ISSN 1000-0887

*收稿日期:2018-07-17; 修订日期:2018-08-31

基金项目: 国家自然科学基金(11431004;11471059);重庆市自然科学基金(cstc2017jcyjAX0382;cstc2018jcyjAX0337);重庆市创新团队(CXTDX201601022);重庆市巴渝学者计划

作者简介:

邵重阳(1993—),男,硕士(E-mail: shaocyll@sina.com);

彭再云(1980—),男,教授,博士(通讯作者. E-mail: pengzaiyun@126.com).

引用本文/Cite this paper:

邵重阳,彭再云,王泾晶,周大琼. 参数广义弱向量拟平衡问题解映射的H-连续性刻画[J]. 应用数学和力学, 2019,40(4): 452-462.

SHAO Chongyang, PENG Zaiyun, WANG Jingjing, ZHOU Daqiong. Characterizations of H-continuity for solution mapping to parametric generalized weak vector quasi-equilibrium problems[J].Applied Mathematics and Mechanics, 2019,40(4): 452-462.