R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
S TEFANO T ESTA
Costruzione di un universo di dispositivi ciclicamente monotoni massimali
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 58 (1977), p. 101-116
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dispositivi
ciclicamente monotoni massimali.
STEFANO TESTA
(*)
1. -
Prefazione.
In un suo lavoro G. Darbo
[1], prendendo
lospunto
euristico della teoria delle reti didispositivi elettrici,
ha dato una formalizza- zioneassiomatica,
del concetto di « universo didispositivi
».Nello stesso lavoro vengono altres definiti
gli
« universi didispo-
sitivi lineari ».
Tra
questi, particolare
interesse hannogli
universi lineari su un corpo commutativo K ». Basti ricordare chequi
idispositivi
suun insieme finito a di terminali hanno come
grafico (che
costituisce l’insieme dei « funzionamenti » di talidispositivi)
isottospazi
linearidello
spazio
vettoriale X su .g . Gli universi lineari su uncorpo trovano interessanti
applicazioni.
Infatti se .K = R(corpo
dei numeri
reali),
si ha l’ambiente adatto pertrattare,
adesempio, dispositivi
elettrici in cui le tensioni e le correnti suisingoli
ter-minali sono costanti nel
tempo ;
se K = C(corpo
dei numeri com-plessi),
si ha unampliamento
dell’universoprecedente,
equi
èpossibile
trattaredispositivi
elettrici i cuisegnali
di tensione e cor-rente sui terminali variano nel
tempo
conlegge
sinusoidale di fre- quenzafissata ; più
ingenerale,
se .g =R(D),
corpodegli operatori
differenziali razionali
fratti,
si ha l’universo deidispositivi
linearia costanti concentrate.
(*) Indirizzo dell’A. : Ist. Matematico Via L. B. Alberti, 4 - Uni- versità di Genova.
Tra i
dispositivi
di tali universi lineari su un corpo ci interessano inparticolar modo, quelli
chegodono
di una ulterioreproprietà :
la
passività.
Per ungenerico
corpo g di caratteristica zero, le nozioni dipassività
« elementari » che si possono dare per idispositivi
linearisu K sono in
corrispondenza
biunivoca con le strutture paracom-plesse
su .g stesso. Non ci soffermiamo sulla definizione di strutturaparacomplessa,
rimandando a(1],
ci basta osservare che R e Channo un’unica struttura
paracomplessa,
ed unico è purequindi
iltipo
dipassività
deidispositivi
lineari su talicorpi :
inparticolare
se M è un
dispositivo
linearesu R ,
su un insieme a diterminali,
di modo che il suo
grafico
è unsottospazio
lineare di R0153 XR0153,
M si dirà
passivo
se perogni
suo funzionamento(x , y)
si ha(~,~)~0,
dove(2013?2013)
è l’usualeprodotto
interno diÈ
da osservareche,
ingenerale,
lacomposizione
in rete didispo-
sitivi
passivi
dà ancora undispositivo passivo : cioè,
idispositivi
lineari
passivi
costituiscono un sottouniverso dell’universo dei linearisu K. Se si considerano i
dispositivi passivi
« fisicamenterealizzabili »,
si osserva che essi
godono
di una ulterioreproprietà :
la dimensione dellospazio
vettoriale che costituisce l’insieme dei loro funziona- menti èuguale
al numero dei terminali deidispositivi
stessi. Taleproprietà (che
ho chiamata in una miaprecedente
nota[6],
« nor-malità >> )
di cui sembranogodere
tutti idispositivi
lineari su uncorpo, fisicamente
realizzabili, accoppiata
allapassività,
fa assumereai
dispositivi
chegodono
di entrambe il carattere di «dispositivi
lineari
passivi massimali »,
nel senso che oraprecisiamo :
undispo-
sitivo si dirà
passivo
massimale se èpassivo
ed inoltre se il suografico
non è contenutopropriamente
nelgrafico
di nessun altrodispositivo passivo.
Orbene i
dispositivi
lineari su un corpopassivi
massimali sono tutti e soli idispositivi
linearipassivi
normali.È
da rilevare che anchequesti dispositivi passivi
massimali costituiscono un sot- touniverso.In
realtà,
egià
appare dallepoche
considerazioni finorasvolte,
che ci serviranno a chiarire il
tipo
diproblema
che intendiamoaffrontare,
i risultati nella teoriadegli
universi lineari sono molte-plici
e di carattere assaigenerale.
Interesserebbe pureconsiderare,
nello stesso ordine di
idee,
idispositivi
non lineari.Qui però
la teoriaè ai suoi inizi e i risultati sono
parziali
e frammentari. Ilprimo problema
èquello
di costruiredegli esempi significativi
di universinon lineari.
Una
proprietà
sullaquale
si è incominciato a lavorare èquella
chiamata nella letteratura
degli spazi
vettoriali suR,
monotonia :essa sembra infatti
estendere,
nel modopiù naturale,
al caso nonlineare,
lapassività.
F. Parodi in un suo lavoro di recentepubbli-
cazione
[3],
ha costruito un universo didispositivi monotoni,
cheestende
quello
dei linearipassivi.
Tale universo è unprimo esempio significativo, tuttavia,
per certiversi,
non è del tutto soddisfacente : infatti per leapplicazioni
fisiche è taloraopportuno
consideraredispositivi
monotonimassimali, questi però
non costituiscono unsottouniverso dell’universo di Parodi :
cioè,
in taleambiente,
lacomposizione
in rete didispositivi
monotoni massimali dàluogo
adispositivi monotoni,
ingenerale
non massimali.Il
problema
di trovare un universo didispositivi
monotoni mas-simali,
nella sua formulazionepiù ampia,
è tuttoraaperto.
Il pre- sente lavoro ne dà una soluzioneparziale.
Per chiarire il
punto
di vista da cui si è affrontato ilproblema,
ritorniamo ai
dispositivi
lineari su un corpo commutativo .K . Sia i un automorfismo involutorio(tale
cioè che i2 =id)
di .K .È possibile
considerare il sottouniverso deidispositivi z-reciproci (Per inciso,
osserviamo che molti deidispositivi
lineari fisicamenterealizzabili, godono
di unaqualche proprietà
diz-reciprocità ;
esi-stono, peraltro, dispositivi
lineari nonreciproci
fisicamente realiz-zabili).
Se K = R e i è l’identità(che
è il caso che a noi inte-ressa)
talidispositivi,
sono cos caratterizzati : sononormali,
inoltreper
ogni coppia (x , y)
e(~ , ~)
di funzionamenti di un taledispo-
sitivo,
vale laOrbene,
si consideri ilsottouniverso dei
dispositivi
lineari su R che sono monotoni massi- mali ereciproci.
Si ha che ilgrafico
di talidispositivi
su un insiemea di
terminali,
è un insieme ciclicamente monotono massimale ed èquindi subgradiente
diquelle particolari
funzioni convesse di R«in R
u
+oo j
che sono le formequadratiche
semidefinitepositive,
aventi dominio effettivo un
sottospazio
lineare di R0153. Perampliare questo universo,
in modo daprendere
in considerazionedispositivi
non
lineari,
si èpensato
di utilizzare le funzioni convesse semi- continue inferiormente su R«(di
modo che i lorosubgradienti
siano mappe
(ciclicamente)
monotonemassimali), soggette
ad oppor- tuniassiomi ;
e suqueste
definire lacomposizione
in rete in mododa
generalizzare quella
delcorrispondente
universo lineare. Perquesta
via si ottiene un universo didispositivi.
È
infine da notare che isubgradienti
delle funzioni convesseda noi
considerate,
non costituiscono un sottouniverso dell’universo totale su R definito in[3].
2. -
Richiami
enotazioni.
2a)
Un universo didispositivi (cfr. [1])
è datodall’assegnazione
diuna
coppia (o, 0’); dove 3
è un funtore covariante tra lacategoria
6 dei trasduttori elementari su insiemi finiti e lacategoria § degli insiemi ;
a è una trasformazione naturalea, P
insiemifiniti ;
la
coppia (S) (1), inoltre,
soddisfa aiseguenti assiomi ; 1)
Commutatività deldiagramma :
essendo n. proiezione canonica, ~(ia) applicazione
indotta dal trasduttore ia :
a-~- ~8 -~
a , yreciproco
dell’inclusione.2)
Commutatività deldiagramma
dove
gli
isomorfismi verticali sonorispettivamente
l’isomorfismo di scambio dei fattori nelprodotto
cartesiano e l’isomorfismo indotto(mediante 3)
daquello
di scambiodegli
addendi nella somma diretta.3)
Commutatività deldiagramma :
dove
gli
isomorfismi verticali sonorispettivamente quello
di associa- tività delprodotto
cartesiano equello
indotto(mediante D)
dal-l’isomorfismo di associatività della somma diretta.
4) ~0 = ~l~,
cioè esiste uno ed un solo elemento in2b)
Inseguito,
faremo uso, per la costruzione di un universo didispositivi,
di due funtori tra lacategoria degli
insiemi finiti equella degli spazi
vettoriali su R. Poniamo perogni
insieme finito al’usuale
spazio
vettoriale su R di dimensione card a .Sia
poi 99 :
unaapplicazione
tra insiemifiniti ;
definiamol’applicazione
lineareponendo
essendo le
applicazioni
linearirispettivamente proiezioni
e iniezioni canoniche. Ciòposto ( - ) ~,
risulta essere un funtore controvariante.
Definiamo ora il funtore covariante
( - ). ,
yponendo
perogni
insieme finito a , y nuovamente
e per
ogni applicazione q : a - B
dove
essendo le
applicazioni
linearirispettivamente proiezioni
e iniezioni canoniche.Considereremo
gli spazi
R0153 eRoc’
dianzidefiniti
uno dualedell’altro,
sottointendendo le identificazioniottenute
dagli
usuali isomorfismi indotti dalla base canonica.Indicheremo con
l’usuale forma bilineare indotta da tale abbinamento duale.
È
utile rilevare allora che leapplicazioni
lineari qr e 99. , y indotte(mediante
i funtori inprecedenza definiti)
daun’applicazione
a
2013~ ~8,
sono unaaggiunta
dell’altra~.2c)
Avremo purebisogno
di considerare delle funzioni di R« avalori in R
U ~
+col) .
. Per una tale funzionef ,
chiameremo dominio effettivo dif
ed indicheremo domf
l’insiemedegli x
E R« tali chef(x) E R.
Ci servirà anche
un’operazione
diconiugio.
Sia
quindi f :
R- - Ru
+oo}
una funzione convessa semicon-tinua inferiormente
rispetto
allatopologia
euclidea(s.c.i.
d’ora inpoi),
di dominio effettivo nonvuoto,
allora indicheremo conf*
lafunzione su
R~ ~ coniugata
dif
secondoFenchel,
cos definita :Naturalmente vale una
analoga
definizione(ed uguale notazione)
per la
coniugata
di una funzione definita suR0153 .
La funzione
f *
è ancora una funzione convessa s.c.i. a valori inR u ~
di dominio effettivo non vuoto ed è noto chef * * = f (cfr. [4]
Teorema12.2).
3. -
Costruzione dell’universo
M -Sia a un insieme
finito,
y consideriamol’insieme,
che indicheremo,
y delle funzioniconvesse s.c.i. e tali che
dove ri dom
f
è laparte
interna di domf rispetto
alsottospazio
lineare di R0153
generato
da domf .
Osservazioni : Sia
a) f
è una funzione convessa s.c.i. : ciòimplica
che ilsubgra-
diente
~f
è un insieme ciclicamente monotono massimale di R« XR0153 . b) f(0)
- 0 : tale assioma ha ilsignificato
di fissare unpunto
di riferimento per la funzionepotenziale f ,
y in modo che vi sia unacorrispondenza
biunivoca tra le funzioni di~0153
e i lorosubgra-
dienti
(potendosi quindi,
y considerarequesti
ultimi comedispotivi
su a dell’universo che stiamo
costruendo).
c) f(x)
> O =f(0)
perogni
x ER« ;
ciòimplica
che il funziona-mento nullo
(0 , 0 ) appartiene a ai.
a~)
infine 0 E ridom f :
faremo vedere inseguito,
con un esem-pio,
che i restanti assiomi non bastano arcndere 3 (che
ci appre-stiamo a
definire)
un funtore.PROPOSIZIONE 1.
Siano 99 :
a - yapplicazioni
tra in-siemi finiti. Sia la funzione
è un elemento di
~{3 .
PROPOSIZIONE 2. Sia .r :
a - fl
un trasduttore. Siauna
coppia
diapplicazioni
che individuaT, tale, cioè,
che T= y~ q(1)
Sia
f
la funzionenon
dipende
dallafattorizzazione yq
scelta per T.Daremo la dimostrazione di tali
proposizioni
al successivo n.5a).
Sia allora 1~ : un
trasduttore,
risultapertanto legittimo
far
corrispondere
a h unaapplicazione
trainsiemi,
che indicheremoponendo
perogni
essendo
una
coppia
diapplicazioni
che individua 7~.Risulta,
dalladefinizione,
che se1a :
a-a è il trasduttoreidentico,
èl’applicaziione
identica(2),
inquanto
perogni J E ~a ~ ~(1.a) J - f *~k - ,f
°(1)
Cfr.[2]
Teorema 2.2.(2) Tuttavia si osservi che se
gli
elementi di non fossero funzioniconvesse s.c.i. la
proprietà
sopra enunciata non sarebbe verificata.Inoltre vale la
seguente :
PROPOSIZiONE 3. Siano
.h~ :
a-~ ~3 ~
- btrasduttori,
alloraDaremo la dimostrazione al successivo n.
5a).
Pertanto, 3
risulta essere un funtore covariante tra la cate-goria
dei trasduttori equella degli
insiemi.Siano e consideriamo la funzione
f E9 9
che adun
generico punto (x , y)
E R«E9
1~~ associa il valoref (x) + g(y).
Consemplici
considerazioni e utilizzando risultati noti sulle funzioniconvesse s.c.i.
(cfr. [4],
Teorema9.3)
si prova che Consideriamo alloral’applicazione
definita
ponendo
Proveremo al n.
~b)
che a è una trasformazione naturale e cheessa verifica
gli
assiomidegli
universi didispositivi.
Lacoppia (S) a)
costituiscequindi
un universo di funzioni convesses.c.i.,
ovvero
(se
sipreferisce
considerare isubgradienti
diqueste)
ununiverso di
dispositivi
ciclicamente monotonimassimali,
che indi-cheremo con
A
questo punto
è bene osservareche,
come si ègià
accennatonella
prefazione,
y perquanto
idispositivi
diJH
y come insiemi cicli- camente monotonimassimali,
si possano ritrovare nell’universo di insiemi monotoni considerato in[3],
tuttavia in JMl’applicazione
S)~ 2013~ 3)~?
, indotta da un trasduttore differisce in modo essenziale daquella
definita in[3],
tantoche, ivi,
idispositivi
di M noncostituiscono un
sottouniverso,
come dimostra ilseguente esempio.
Si consideri nel
piano
il cerchio C :Sia Xc la funzione caratteristica di C cos definita :
La funzione
x*
è undispositivo
di JH sull’insieme di terminali~ 1, 2 ~ ;
ilsub-gradiente
èquindi
un insieme ciclicamente mono- tono massimale. Consideriamol’operazione
disoppressione
del ter-minale 2 cioè il trasduttore
reciproco
dell’in.clusione.Nell’universo definito in
[3], D(i) (dX*C)
è il sottoinsieme dix R{1}
costituito dal solo
punto (0 , 0),
e non èquindi
un insieme ciclica- mente monotono massimale.In
invece,
ilsubgradiente
di che è la funzione identicamente nulla inR11f,
è ciclicamente monotono massimale.4. -
Ancora sugli assiomi
diAl n.
3,
tragli
assiomi cui soddisfano le funzioni costituenti3~
abbiamo
posto
che l’interno relativo del dominio di tali funzionicontenga l’origine.
Ci pare interessante far vedere che i rimanenti assiomi su
3~
non bastano a
rendere 0
unfuntore ; infatti,
perquanto
anche inquesta
nuovasituazione,
leproposizioni
1. e 2. del n. 3 continuinoa valere ed abbia
quindi
senso considerarel’applicazione
3(T) : ID0153 - 3~
indotta dal trasduttore T : a-+ f3,
definita alparagrafo precedente : tuttavia,
ora, taleapplicazione
non preserva lacomposizione.
A tal scopo si considerino i trasduttoriseguenti :
reciproco
dell’inclusioneapplicazione
l’applicazione ~(1 ) = y~(2) =1 , V(3)
= 3reciproco
dell’inclusione.Orbene
cpi = jy~ ,
9 mentre3(q) ~(i) ~ 3)(j) ~(1~J) .
Per verificarlo si consideri nello
spazio
{ il cerchio C :e la funzione definita da :
(ovviamente :
inf o = +oJ).
pC è convessa, inoltre essendo C
chiuso,
è anche s.c.i.(cfr.
[5], § 2,
prop.23),
cioè il suoepigrafo C
considerato nellospazio R~ 1,2,3(
è un insieme convesso e chiuso. Ci interessa considerare la funzione caratteristica diC ,
cioè la funzionezò
cos definita :Xê
è convessa s.c.i.xc(©) - 0 , Xê(x) 2:: O,
y mentreO 1= ri dom Xê .
Ora è la funzione caratteristica del
semipiano x2
dif
equindi
è la funzione identicamente nulla in mentre è la funzione caratteristica dell’insieme dipunti
diRJ 1 ,31 i
soddisfacenti alle condizioniquindi
~(3) xC
è la funzione che vale zeronell’origine
e +00negli
altri
punti
di5. - Dimostrazioni.
5a)
Per alcune delledimostrazioni,
ci serviremo deiseguenti
due lemmi.
LEMMA 1. Sia A : Rn - Rm
un’applicazione
lineare.Valgono
iseguenti
fatti :a)
Se è un insieme convesso allorab)
Se .K è un insieme convesso eA-x(ri K)
0 , allora riA-1(g) - A-1(ri K).
Per la dimostrazione di
questo
lemma siveda,
adesempio [4]
Teor. 6.6 e Teor. 6.7.
LEMMA 2. Sia una
applicazione
tra insiemifiniti ;
siadefiniamo per
ogni
(ovviamente:
se(~~),
alloraf(z) = + (0).
Valgono
iseguenti
fatti :DIMOSTRAZIONE : Come è
noto /
è una funzione convessa ingenerale
nons.c.i., quindi f **
è laregolarizzata
s.c.i.(cfr. [4]
Teorema
12.2).
l’ultima
uguaglianza seguendo
dal fatto che : seallora
í(z)
=+oo; quindi f*q. = f*,
cioè(f*q.)* =j**
b) ri dom j = ri dom j** (cfr. [4]
Corollario7.4.1),
inoltre dalla definizionedi í
si hay (dom f )
=dom f .
Applicando
il lemma1.a)
si ha :c)
Cfr.[4]
Teorema 7.4.DIMOSTRAZIONE DELLA PROPOSIZIONE 1.
La
funzione,
su 9f q.
è convessa s.c.i. inquanto
y è lineareed f è
convessa s.c.i. inoltre vale zeronell’origine
ed assume valoriin
0’-"’’ quindi
anche la suaconiugata
è convessa s.c.i. ed unsemplice
calcolo diretto mostra che pure essa vale zeronell’origine
di
Ry
ed assume valori in0""’’
-~- oo . Unanalogo ragionamento
per mette di affermare che definita su l~~ è una funzioneconvessa s.c.i. che vale zero
nell’origine
ed assume valori in0’-"’’
+ 0 . Resta da provare che 0E ri dom((fq.)* y.)*.
Intanto O e infatti dom e
in
quanto
O eri dom f :
e si ha la tesiapplicando
lemma
1.b). Infine,
per lemma2.b) y.(ri dom fy)
= riDIMOSTRAZIONE DELLA PROPOSIZIONE 2.
la
coppia
minima di[2]
pag. 226 eseg.)
allora esiste ,u ap-plicazione
iniettiva tale che commuta ildiagramma
Si
ha (
Poniamo e facciamo vedere che
la
penultima uguaglianza valendo,
inquanto
,u’ èsurgettiva ;
equindi ((.Îg~’ ) *y~.~ *
=«ft-01 ) * -t.) *.
DIMOSTRAZIONE DELLA PROPOSIZIONE 3.
con 9 P2 7 ’l~J2
applicazioni
tra insiemi finiti.Si consideri il
push-out
allora
quindi
laproposizione
sarà dimostrata facendo vedere chese f E Dv
1 alloraSia per
ogni
x E Ry2quindi
per il lemma2,a)
il..1.
Sia per
ogni
quindi
per il lemma2.a)
Dimostriamo che
fe - = f g~2 ;
infatti essendo ilquadrato (1)
unpush-
out è esatta la seguenza
perciò
perogni
x E RY2 si hapertanto
Ora,
per il lemma2. b )
ed
ivi,
per il lemma2. c)
tali funzionicoincidono ;
è immediatoinoltre,
che :ed anche
(ri
dom( f * y~l. ) *~ quindi, applicando
ove necessarioil lemma
1. b )
e il lemma2. b ),
si ha la sequenza diuguaglianze :
ri dom = ri
«(~);-l
dom( f *~1- ) ~‘~
=cp;-~ (ri
dom( f * 1JJ~.)*) =
992 (ri domf)
= ridom f )
= ridom fq.2
ed ivi le funzioni
( f * y~l. ) * ~2 e coincidono,
inquanto
per illemma
2. e)
inri dom f , ( f *~1. ) * e f
coincidono.Pertanto le funzioni
convesse e
s.c.i.,
sono tali che l’interno relativo del loro dominio è lo stesso per entrambe ed ivi essecoincidono,
maallora,
comeben noto
(vedasi
4 Corollario7.3.4.)
coincidono ovunque.~b)
Perquanto riguarda
cr, definita al n.3,
essa è una trasfor-mazione naturale. Basta verificare la commutatività del
seguente diagramma :
o ve
T~: a --~- ~ , T’2 : ~ ---~- y
sono trasduttori.Basterà fare le verifiche con
T~ identità,
e.I~’2 ,
di volta involta, applicazione
ereciproco
diapplicazione
e viceversa scambiandoT~
er,.
a)
Sia = id eF2
= g~applicazione,
allora :b)
Sia = id er2 = ~ ,
y g~applicazione.
Osserviamo, innanzitutto,
che ingenerale
si ha :Per
quanto
concerne iquattro
assiomi del n. 2 :2), 3), 4),
sonobanalmente
verificati,
mentre1)
segue da unsemplice
calcolodiretto.
BIBLIOGRAFIA
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Aspetti algebrico-categoriali
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Rend. Sem. Mat. Univ.di Padova, Vol. XLIV pag. 223 e seg.
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Princeton Univ. Press.(1970).
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BOURBAKI N., Eléments deMathématiques Espaces
VectorielsTopo- logiques Chapitres
II - 2e édition - Hermann, Paris.[6] TESTA S., Sui sottouniversi normali di un universo di
dispositivi
lineari su un corpo. Rend. Sem. Mat. Univ. di Padova, vol. LVI pag. 193. e seg.
(1977).
Manoscritto