О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм

Описуються нескiнченнi частково впорядкованi множини з додатно означеною формою Тiтса. We describe infinite partially ordered sets with a positive Tits form.

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Нелінійні коливання
Datum:2003
Hauptverfasser: Бондаренко, В.М., Полищук, А.М.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут математики НАН України 2003
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176155
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм / В.М. Бондаренко, А.М. Полищук // Нелінійні коливання. — 2003. — Т. 6, № 1. — С. 3-14. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-176155
record_format dspace
spelling Бондаренко, В.М.
Полищук, А.М.
2021-02-03T19:18:56Z
2021-02-03T19:18:56Z
2003
О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм / В.М. Бондаренко, А.М. Полищук // Нелінійні коливання. — 2003. — Т. 6, № 1. — С. 3-14. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
1562-3076
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176155
512.647.2 + 512.562
Описуються нескiнченнi частково впорядкованi множини з додатно означеною формою Тiтса.
We describe infinite partially ordered sets with a positive Tits form.
ru
Інститут математики НАН України
Нелінійні коливання
О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
Про критерій додатної визначеності для одного класу нескінченних квадратичних форм
Positive definiteness criteria for a certain class of infinite quadratic forms
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
spellingShingle О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
Бондаренко, В.М.
Полищук, А.М.
title_short О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
title_full О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
title_fullStr О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
title_full_unstemmed О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
title_sort о критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм
author Бондаренко, В.М.
Полищук, А.М.
author_facet Бондаренко, В.М.
Полищук, А.М.
publishDate 2003
language Russian
container_title Нелінійні коливання
publisher Інститут математики НАН України
format Article
title_alt Про критерій додатної визначеності для одного класу нескінченних квадратичних форм
Positive definiteness criteria for a certain class of infinite quadratic forms
description Описуються нескiнченнi частково впорядкованi множини з додатно означеною формою Тiтса. We describe infinite partially ordered sets with a positive Tits form.
issn 1562-3076
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176155
citation_txt О критерии положительной определенности для одного класса бесконечных квадратичных форм / В.М. Бондаренко, А.М. Полищук // Нелінійні коливання. — 2003. — Т. 6, № 1. — С. 3-14. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT bondarenkovm okriteriipoložitelʹnoiopredelennostidlâodnogoklassabeskonečnyhkvadratičnyhform
AT poliŝukam okriteriipoložitelʹnoiopredelennostidlâodnogoklassabeskonečnyhkvadratičnyhform
AT bondarenkovm prokriteríidodatnoíviznačenostídlâodnogoklasuneskínčennihkvadratičnihform
AT poliŝukam prokriteríidodatnoíviznačenostídlâodnogoklasuneskínčennihkvadratičnihform
AT bondarenkovm positivedefinitenesscriteriaforacertainclassofinfinitequadraticforms
AT poliŝukam positivedefinitenesscriteriaforacertainclassofinfinitequadraticforms
first_indexed 2025-11-27T02:36:31Z
last_indexed 2025-11-27T02:36:31Z
_version_ 1850794746857914368
fulltext УДК 512.647.2 + 512.562 О КРИТЕРИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ОДНОГО КЛАССА БЕСКОНЕЧНЫХ КВАДРАТИЧНЫХ ФОРМ В. М. Бондаренко, А. М. Полищук Ин-т математики НАН Украины Украина, 01601, Киев 4, ул. Терещенковская, 3 e-mail: vit-bond@imath.kiev.ua We describe infinite partially ordered sets with a positive Tits form. Описуються нескiнченнi частково впорядкованi множини з додатно означеною формою Тiтса. Квадратичные формы играют важную роль в различных областях математики. Это отно- сится как к алгебре, так и к теории обыкновенных дифференциальных уравнений, диф- ференциальных уравнений в частных производных, интегральных и функциональных уравнений, теории операторов и др. (см., например, [1 – 9]). В настоящей статье рассма- триваются квадратичные формы для одного класса бесконечных объектов как „предель- ный случай” известных конечных форм. 1. Формулировка основного результата. Пусть S — бесконечное частично упорядо- ченное множество и Z — множество целых чисел. Рассмотрим в декартовом произведе- нии ZS∪0 подмножество ZS∪0 0 , состоящее из всех векторов z = (zi) с конечным числом ненулевых координат. Квадратичной формой Титса для S назовем (по аналогии с конеч- ным случаем [1]) форму qS : ZS∪0 0 → Z, задаваемую равенством qS(z) = z2 0 + ∑ i∈S z2 i + ∑ i<j,i,j∈S zizj − z0 ∑ i∈S zi. Форму Титса qS(z) назовем положительно определенной, если qS(z) > 0 для всех векто- ров z ∈ ZS∪0 0 , за исключением нулевого. При изучении свойств многих конечных объектов явные закономерности проявля- ются лишь для „достаточно больших” объектов, и поэтому рассмотрение бесконечных объектов как „предельных” случаев представляет особый интерес. В этой статье та- кая ситуация рассматривается для частично упорядоченных множеств с положительно определенной формой Титса. Более точно, мы изучаем такие множества в случае, ко- гда они бесконечны, не накладывая на них никаких дополнительных условий (наиболее „чистый” случай, когда не существует минимальных и максимальных элементов, рассма- тривался в [10]). Пусть S = {S0,6} — (конечное или бесконечное) частично упорядоченное множе- ство, тогда частично упорядоченным является и каждое подмножество X ⊂ S0 (с ин- дуцированным частичным порядком). В дальнейшем (из соображений удобства) мы в каком-то смысле отождествляем S и S0. В частности, под словами „подмножество (в) S” мы понимаем подмножество (в) S0 вместе с индуцированным частичным порядком (ко- торый обозначается тем же символом 6), вместо x ∈ S0 пишем x ∈ S и т. п. Если S — c© В. М. Бондаренко, А. М. Полищук, 2003 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 3 4 В. М. БОНДАРЕНКО, А. М. ПОЛИЩУК объединение своих попарно непересекающихся подмножеств A,B, .., C, то говорят, что S является суммой A,B, . . . , C и пишут S = A + B + . . . + C; понятно, что элементы различных слагаемых могут быть сравнимыми между собой. Если же элементы, принад- лежащие различным слагаемым, всегда несравнимы, то будем говорить, что S является прямой суммой заданных подмножеств. Множество S назовем неразложимым, если оно не является прямой суммой своих (собственных) подмножеств. Понятие прямой суммы частично упорядоченных множеств можно ввести и внешним образом: прямая сумма множеств A,B, . . . , C — это их объединение без попарных пе- ресечений (с естественным частичным порядком, т. е. таким, который индуцируется за- данными порядками). Что касается суммы, то внешним образом она определяется неод- нозначно — для задания суммы множеств A,B, . . . , C нужно дополнительно зафиксиро- вать подмножество P0 в множестве всех пар (x, y), где x и y — элементы из различных множеств; тогда суммой заданных множеств будет их объединение без пересечений с час- тичным порядком, являющимся наименьшим среди всех, которые продолжают заданные порядки и таких, что x < y, если (x, y) ∈ P0. Понятно, что с формальной точки зрения бо- лее удобно пользоваться внутренним определением суммы, когда рассматриваются под- множества частично упорядоченных множеств. В дальнейшем мы будем пользоваться именно этим определением. Введем теперь одно понятие, которое мы называем минимаксной суммой частично упорядоченных множеств. Для непересекающихся подмножеств X и Y некоторого частично упорядоченного множества запись XCY будет означать, что существуют элементы x ∈ X и y ∈ Y такие, что x < y. Пусть частично упорядоченное множество S является суммой подмножеств A,B, . . . , C. Будем называть эту сумму минимаксной, если выполняется следующее усло- вие: a) x является минимальным, а y — максимальным элементом множества S, если x и y принадлежат разным слагаемым и при этом x < y. Очевидно, что частным случаем минимаксной суммы является прямая сумма. Однако в дальнейшем, говоря о минимаксной сумме, будем считать (из формальных соображе- ний), что кроме условия a) выполняется также следующее условие: b) S не является прямой суммой подмножеств A,B, .., C. Понятно, что в общем случае условие b) не гарантирует неразложимости множества S; однако это так, если число слагаемых равно двум и при этом каждое из них неразло- жимо. Минимаксную сумму подмножеств A,B, .., C назовем односторонней, если отноше- ние@, порожденное рассматриваемым на множестве всех слагаемых отношениемC (т. е. X @ Y дляX 6= Y означает, чтоX = X0CX1 . . .CXs = Y для некоторыхX0, X1, . . . , Xs, s > 0), является отношением частичного порядка. Другими словами, сумма является односторонней, если слагаемые можно занумеровать натуральными числами таким обра- зом, что для каждой пары слагаемых X и Y , удовлетворяющих условию X C Y , выпол- няется неравенство i(X) < i(Y ), где i(X) и i(Y ) — номера (соответственно) X и Y . Понятие минимаксной суммы (в том числе односторонней) можно задавать и внешним образом, если дополнительно зафиксировать некоторое подмножество P0 (см. выше), удовлетворяющее соответствующим условиям. Однако наша договоренность от- носительно использования внутренного определения суммы множеств сохраняется и в рассматриваемом частном случае. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 О КРИТЕРИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ОДНОГО КЛАССА БЕСКОНЕЧНЫХ . . . 5 Любое линейно упорядоченное множество мы называем цепным, а частично упоря- доченное множество с единственной парой несравнимых элементов — почти цепным. Заметим, что в дальнейшем мы допускаем и пустые цепные множества. Отметим еще, что мы отождествляем одноэлементные множества с элементами. Основной целью настоящей статьи является доказательство следующей теоремы, ко- торая полностью описывает строение бесконечных частично упорядоченных множеств с положительно определенной формой Титса. Основная теорема. Пусть S — бесконечное частично упорядоченное множество. Тогда форма Титса qS(x) положительно определена в том и только в том случае, когда выполняется одно из следующих условий: 1) S — прямая сумма двух цепных подмножеств; 2) S — прямая сумма цепного и почти цепного подмножеств; 3) S — односторонняя минимаксная сумма двух цепных подмножеств. 2. Вспомогательные леммы. При доказательстве основной теоремы нам понадобя- тся некоторые вспомогательные леммы. Определяемые при этом конечные частично упорядоченные множества обозначаются через T ; для удобства их элементами являются целые числа и соответствующие (частичные) порядки обозначаются знаком ≺ (чтобы отличать их от естественной линейной упорядоченности целых чисел); при этом порядок всегда определяется с точностью до транзитивности. Координаты zi (конечного) вектора z ∈ Z0∪T располагаются в естественном порядке (в порядке возрастания i ∈ 0 ∪ T как целого числа). Доказательство сформулированных ниже лемм очевидно — оно сводится к вычислению значений конкретных квадратичных форм. Лемма 1. Пусть T = {1, 2, 3, 4} (без сравнимых i 6= j). Тогда qT (2, 1, 1, 1, 1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 2. Пусть T = {1, 2, 3, 4 | 1 ≺ 4, 2 ≺ 4, 3 ≺ 4}. Тогда qT (1, 1, 1, 1,−1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 3. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 2 ≺ 3, 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8}. Тогда qT (6, 3, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 4. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 7, 2 ≺ 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7}. Тогда qT (4, 3, 1, 1, 1, 1, 1,−2, 2) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 5. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8, 2 ≺ 4, 2 ≺ 5, 3 ≺ 4}. Тогда qT (0, 2, 3, 1,−2,−1,−1,−1,−1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положи- тельно определенной. Лемма 6. Пусть T = {1, 2, 3, 4 | 1 ≺ 3, 1 ≺ 4, 2 ≺ 3, 2 ≺ 4}. Тогда qT (0, 1, 1, −1,−1) = = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 7. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 | 1 ≺ 2, 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7, 1 ≺ 5}. Тогда qT (0,−2, 1,−1,−1, 1, 1, 1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 6 В. М. БОНДАРЕНКО, А. М. ПОЛИЩУК Лемма 8. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 | 1 ≺ 5, 2 ≺ 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7}. Тогда qT (1, 2, 1, 1, 1,−1,−1,−1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 9. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 | 1 ≺ 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7, 1 ≺ 2 ≺ 6}. Тогда qT (1,−1, 2, 1, 1, 1,−1,−1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 10. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 2 ≺ 8, 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8}. Тогда qT (3, 2, 2, 1, 1, 1, 1, 1,−3) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 11. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 2, 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8, 1 ≺ 4}. Тогда qT (1,−3, 2,−2, 1, 1, 1, 1, 1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 12. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 7, 2 ≺ 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8}. Тогда qT (2, 3, 1, 1, 1, 1, 1,−2,−2) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 13. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 4, 2 ≺ 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8}. Тогда qT (1, 3, 2, 2,−1,−1,−1,−1,−1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положи- тельно определенной. Лемма 14. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 2 ≺ 8, 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8, 1 ≺ 7}. Тогда qT (2, 2, 1, 1, 1, 1, 1,−1,−2) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положи- тельно определенной. Лемма 15. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 2 ≺ 8, 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8, 1 ≺ 4}. Тогда qT (1,−2, 2,−1, 1, 1, 1, 1,−1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является поло- жительно определенной. Лемма 16. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 2 ≺ 5, 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 7 ≺ 8, 1 ≺ ≺ 4}. Тогда qT (1, 1, 2, 2, 1,−1,−1,−1,−1) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Лемма 17. Пусть T = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 1 ≺ 3 ≺ 4 ≺ 5 ≺ 6 ≺ 8, 1 ≺ 2 ≺ 8}. Тогда qT (2,−2, 3, 1, 1, 1, 1, 1,−2) = 0 и, следовательно, форма qT (z) не является положительно определенной. Напомним, что двойственным к T частично упорядоченным множеством называется множество T ∗, которое совпадает с T как обычное множество и имеет следующий час- тичный порядок: x < y (в T ∗) тогда и только тогда, когда x > y в T . Очевидно, что имеют место леммы 1∗ – 17∗, двойственные к леммам 1 – 17, т. е. такие, в условиях которых вместо множеств T рассматриваются двойственные множества T ∗ (а указанные векторы те же); это следует из того, что при переходе к двойственному множеству форма Титса не меняется. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 О КРИТЕРИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ОДНОГО КЛАССА БЕСКОНЕЧНЫХ . . . 7 3. Доказательство основной теоремы: необходимость. Введем сначала некоторые оп- ределения и обозначения. Пусть A и B — подмножества частично упорядоченного множества S. Если не суще- ствуют сравнимые элементы x ∈ A и y ∈ B, то A и B будем называть несравнимыми (в этом случае их сумма является прямой); из формальных соображений нам удобно счи- тать, что подмножества A 6= ∅ и B = ∅ всегда несравнимы; и если мы говорим, что A и B не являются несравнимыми (в частности, x < y для x ∈ A и y ∈ B), то при этом всегда подразумевается, что A 6= ∅ и B 6= ∅. Заметим, что подмножества, не являю- щиеся несравнимыми, неестественно называть, по аналогии с элементами, сравнимыми — при определении таких (непересекающихся) множеств естественно требовать, чтобы каждый элемент одного из них был меньше каждого элемента другого; и в зависимости от случая мы пишем A < B или B < A. Подмножество A множества S назовем верх- ним (соответственно нижним), если x ∈ A каждый раз, когда x > y (соответственно x < y) и y ∈ A. Подмножество в S, состоящее из всех элементов x, сравнимых с каждым элементом y ∈ S, обозначается через S0; очевидно, что оно является цепным. Через NS(x), где x — элемент частично упорядоченного множества S, мы обозна- чаем множество всех элементов из S, несравнимых с x, и для подмножества X (множе- ства S) полагаем NS(X) = ⋂ x∈X NS(x). Элемент x ∈ S назовем изолированным, если x ∈ NS(S \ {x}) или, другими словами, подмножества x и S \ {x} несравнимы (в этом и только в этом случае x является и минимальным, и максимальным); аналогично, подмно- жествоA назовем изолированным, еслиA несравнимо с S\A. Напомним еще, что ширина множества S — это наибольшее число его попарно несравнимых элементов; обозначим ее через w(S). Ниже нам понадобится следующее утверждение. Предложение. Произвольное бесконечное частично упорядоченное множество S ко- нечной ширины m представимо в виде суммы цепных подмножеств S1, . . . , Sm таким образом, что S1 является бесконечным и каждое Si является максимальным цепным подмножеством в Si + . . .+ Sm. Доказательство. Согласно теореме Дилуорса [11, с. 133] (теорема 15) множество S является объединением некоторых цепных подмножеств Y1, . . . , Ym. Тогда S — сумма цепных подмножеств X1, . . . , Xm, где X1 = Y1 и Xi = Yi \ ∪i−1 j=1Yi при i = 2, . . . ,m. Одно из этих подмножеств бесконечно; мы можем считать, что таким подмножеством является X1. Пусть m > 1 (при m = 1 наше утверждение очевидно). Положим X (1) 1 = X1, X(2) 1 = = X (1) 1 ∪ {x ∈ X2 |X(1) 1 ∪ {x}— цепное}, X(3) 1 = X (2) 1 ∪ {x ∈ X3 |X(2) 1 ∪ {x}— цепное}, . . . . . . , X (m) 1 = X (m−1) 1 ∪ {x ∈ Xm |X(m−1) 1 ∪ {x}— цепное}. Легко видеть, что X (1) 1 ⊆ X (2) 1 ⊆ . . . ⊆ X (m) 1 , причем все эти подмножества цепные. Покажем, что X(m) 1 — максимальное цепное под- множество (в S). Действительно, предположим противное, т. е. что существует элемент a 6∈ X(m) 1 такой, что подмножество X(m) 1 ∪{a} является цепным, и пусть a ∈ Xj . Но тогда a принадлежит подмножеству X(j) 1 (согласно его определению), а следовательно, и X(m) 1 . Пришли к противоречию. Таким образом, в качестве S1 можно взять подмножество X (m) 1 . Заметим, что в по- следних рассуждениях мы по существу не пользовались бесконечностью. Поэтому, рас- сматривая множество X2 + . . . + Xm ширины m − 1 и применяя индукцию, завершаем доказательство данного утверждения. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 8 В. М. БОНДАРЕНКО, А. М. ПОЛИЩУК Будем теперь считать (до конца пункта), что S — бесконечное частично упорядочен- ное множество с положительно определенной формой Титса. Нам нужно доказать, что в этом случае выполняется одно из условий 1 – 3 теоремы. В силу леммы 1 w(S) < 4, причем случай w(S) = 1 очевиден — в этом случае выпол- няется условие 1 теоремы (c одним пустым слагаемым). Рассмотрим теперь случай, когда w(S) = 2. Отметим, прежде всего, что в этом слу- чае S0 = S−0 ∪ S + 0 , где S−0 — нижнее, а S+ 0 — верхнее подмножество S. Действительно, если бы это было не так, то существовал бы элемент x ∈ S0 такой, что {x}> и {x}< — подмножества ширины 2. Тогда S содержало бы подмножество, изоморфное множеству T из леммы 6. Нам понадобится следующая лемма. Лемма 18. Частично упорядоченное (конечное или бесконечное) множество с поло- жительно определенной формой Титса является цепным или почти цепным тогда и только тогда, когда оно не содержит подмножеств, изоморфных следующим множе- ствам: a) {1, 2, 3} (без сравнимых i 6= j); b) {1, 2, 3 | 1 ≺ 2}. Доказательство. Легко видеть, что некоторое частично упорядоченное множество P является цепным или почти цепным тогда и только тогда, когда оно не содержит подмно- жества, изоморфного множеству a), b) или следующему множеству: c) {1, 2, 3, 4 | 1 ≺ 3, 1 ≺ 4, 2 ≺ 3, 2 ≺ 4}. А если P имеет положительно определенную форму qP (z), то в силу леммы 6 это мно- жество не может содержать подмножеств вида c). Отсюда следует утверждение леммы. Используя эту лемму, докажем следующее утверждение. Лемма 19. Если w(S) = 2 и S0 бесконечно, то S является почти цепным. Доказательство. Поскольку w(S) = 2, то S не может содержать подмножеств вида a). Нам осталось показать, что S не содержит подмножеств вида b). Предположим против- ное и зафиксируем элементы a, b, c такие, что a несравним с {b, c} и b < c. В силу беско- нечности S0 хотя бы одно из подмножеств S−0 , S+ 0 является бесконечным. Будем считать, без ограничения общности, что бесконечным является S+ 0 , иначе вместо множества S рассмотрим двойственное к нему множество S∗. Тогда подмножество в S, состоящее из элементов a, b, c и произвольных элементов d1 < d2 < d3 < d4 < d5 из S+ 0 , изомор- фно множеству T из леммы 13. Пришли к противоречию (в силу этой же леммы). Лемма доказана. Итак, если S имеет ширину 2, а подмножество S0 бесконечно, то выполняется условие 2 теоремы (с пустым цепным слагаемым). Рассмотрим теперь случай, когда подмножество S0 пусто. Тогда, очевидно,NS(x) 6= ∅ для любого x ∈ S. Лемма 20. Если w(S) = 2 и S0 = ∅, то S является прямой или односторонней минимаксной суммой двух цепных подмножеств. Доказательство. Представим S в виде суммы двух цепных подмножеств P и Q, где P бесконечно (см. предложение); при этом Q может быть как конечным, так и беско- нечным. Пусть эта сумма не является прямой и a ∈ P , b ∈ Q — некоторые сравнимые ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 О КРИТЕРИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ОДНОГО КЛАССА БЕСКОНЕЧНЫХ . . . 9 элементы. Без ограничения общности можно считать, что a < b (если a > b, то заменим S на S∗). Положим P1 = {x ∈ S |x > b} ∩ P = {a}> ∩ {x ∈ P |x > b}, P2 = {x ∈ S |x < < b} ∩ P = ({a}> ∩ {x ∈ P |x < b}) ∪ ({a}< ∩ P ) ∪ {a}, P3 = {a}> ∩ NS(b). Поскольку P = P1∪P2∪P3, из бесконечности P следует, что хотя бы одно из подмножеств P1, P2, P3 является бесконечным. Но подмножество P1 конечно. Действительно, в противном слу- чае рассмотрим подмножество Q1, состоящее из элемента b, произвольных элементов c ∈ NS(a), d ∈ NS(b) и произвольных элементов e1 < e2 < e3 < e4 < e5 из P1; и если c сравнимо с d, а тогда c < d, то подмножество в Q1, состоящее из элементов a, b, c, d, изоморфно множеству T из леммы 6; а если c и d несравнимы, то Q1 изоморфно под- множеству T из леммы 13. В обоих случаях приходим к противоречию. Покажем далее, что и подмножество P2 является конечным. Предположим противное и зафиксируем в P2 элементы a1 < a2 < a3 < a4 < a5 (заметим, что не обязательно a5 6 a). Зафикси- руем еще элементы c ∈ NS(a5) и d ∈ NS(b) и рассмотрим подмножество R1, состоящее из элементов b, c, d, a1, a2, a3, a4, a5; при этом можно считать, что элементы c и d несрав- нимы (иначе a5, b, c и d образуют подмножество, изоморфное множеству T из леммы 6). Если элемент c несравним с подмножеством {a1, a2, a3, a4}, то R1 изоморфно подмноже- ству T ∗ из леммы 11∗ и мы приходим к противоречию. В противном случае обозначим через s наибольшее среди чисел i ∈ {1, 2, 3, 4} таких, что ai < b. Тогда при s = 1 под- множество R1 изоморфно множеству T ∗ из леммы 15∗, а при s = 4 — множеству T ∗ из леммы 16∗; при s = 2 подмножествоR1\{d} изоморфно множеству T ∗ из леммы 9∗, а при s = 3 подмножество R1 \ {b} изоморфно множеству T ∗ из леммы 8∗. И снова приходим к противоречию. Таким образом, подмножества P1 и P2 конечны и, значит, бесконечным является подмножество P3. Покажем теперь, что из бесконечности P3 следует, что элемент b является максималь- ным элементом подмножества Q (тогда в силу S0 = ∅ b — максимальный элемент в S). Предположим, что это не так. Тогда подмножество {b}> ∩ Q не пусто. Зафиксируем элемент c ∈ {b}> ∩ Q и рассмотрим подмножество R2, состоящее из элементов a, b, c и произвольных элементов a1 < a2 < a3 < a4 < a5 подмножества NS(b). Если элемент c несравним с подмножеством {a1, a2, a3, a4, a5}, то R2 изоморфно подмножеству T ∗ из леммы 10∗, и мы приходим к противоречию. В противном случае обозначим через s наи- большее среди чисел i ∈ {1, 2, 3, 4, 5} таких, что ai сравнимо с c; тогда, очевидно, as < c. При s = 1 подмножество R2 изоморфно множеству T ∗ из леммы 14∗, при s = 4 — мно- жеству T ∗ из леммы 15∗, при s = 5 — множеству T ∗ из леммы 17∗; при s = 2 подмноже- ство R2 \ {b} изоморфно множеству T ∗ из леммы 8∗, а при s = 3 подмножество R2 \ {a} изоморфно множеству T ∗ из леммы 7∗. И снова приходим к противоречию. Итак, наше предположение неверно и, значит, b является мaксимальным элементом в Q (и в S). Далее, из бесконечности P3 следует, что элемент a является минимальным элементом подмножества P (тогда в силу S0 = ∅ b — минимальный элемент в S). Действительно, в противном случае {a}< ∩ P 6= ∅ и подмножество, состоящее из элементов a, b, произ- вольного элемента c ∈ {a}< ∩ P и произвольных элементов a1 < a2 < a3 < a4 < a5 из NS(b), изоморфно множеству T ∗ из леммы 12∗. Пришли к противоречию. Таким образом, мы доказали, что b является максимальным элементом в Q, а a — минимальным элементом в P ; и (в силу S0 = ∅) элемент b является максимальным в Q, а элемент a — минимальным в P . А поскольку элементы a и b такие, что a < b, и выбраны в подмножествах P и Q произвольным образом, тем самым доказано, что b несравним ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 10 В. М. БОНДАРЕНКО, А. М. ПОЛИЩУК с P \ {a} и a — с Q \ {b}. Если учесть к тому же, что в силу леммы 6 не существует элементов x ∈ P и y ∈ Q, удовлетворяющих неравенству x > y, то получаем, что S является односторонней минимаксной суммой (цепных) подмножеств P и Q. Лемма 20 доказана. Из леммы 20 следует, что если S имеет ширину 2, а подмножество S0 пусто, то выпол- няется условие 1 или условие 3 теоремы. Наконец, в случае, когда S имеет ширину 2, а S0 конечно, но не пусто, выполняется условие 3 теоремы, что вытекает из следующей леммы. Лемма 21. Если w(S) = 2 и S0 конечно, но не пусто, то частично упорядоченное множество S является односторонней минимаксной суммой бесконечного цепного и одноэлементного подмножеств. Доказательство. Напомним, что S0 = S−0 ∪ S + 0 , где S−0 — нижнее, а S+ 0 — верхнее подмножество S. Поскольку S1 = S \ S0 — бесконечное подмножество ширины 2, то в силу леммы 20 S1 является прямой или односторонней минимаксной суммой бесконеч- ного цепного подмножества P и (бесконечного или конечного, но не пустого) цепного подмножества Q. Без ограничения общности можно считать, что S+ 0 6= ∅ (иначе вместо S будем рас- сматривать S∗). При этом S+ 0 состоит из одного элемента, иначе подмножество, состоя- щее из элементов d1 < d2 < d3 < d4 < d5 множества P , каждый из которых не является в нем ни минимальным, ни максимальным (если таковы имеются), и произвольных эле- ментов a ∈ Q, b, c ∈ S+ 0 (b 6= c), изоморфно множеству T из леммы 12. Покажем сначала, что S1 не может быть односторонней минимаксной суммой под- множеств P и Q. Предположим противное. И если P C Q, то подмножество, состоящее из минимального элемента a ∈ P , максимального элемента b ∈ Q, элемента c ∈ S+ 0 и произвольных элементов d1 < d2 < d3 < d4 < d5 из P \ {a}, изоморфно множеству T из леммы 17. А если Q C P , то подмножество, состоящее из минимального элемента a ∈ Q, максимального элемента b ∈ P , элемента c ∈ S+ 0 и произвольных элементов d1 < d2 < d3 < d4 < d5 из P \{b}, изоморфно множеству T из леммы 12. В обоих случаях приходим к противоречию. Итак, S1 является прямой суммой цепных множеств P и Q. Тогда Q одноэлементно, иначе подмножество, состоящее из элементов a ∈ S+ 0 , b1, b2 ∈ Q(a 6= b) и c1, c2, c3, c4, c5 ∈ ∈ P (ci 6= cj при i 6= j), изоморфно множеству T из леммы 10 и мы приходим к про- тиворечию. Далее, подмножество S−0 является пустым, иначе подмножество, состоящее из элементов a ∈ S+ 0 , b ∈ Q, c ∈ S−0 и d1, d2, d3, d4, d5 ∈ P (ci 6= cj при i 6= j), изомор- фно множеству T из леммы 17. Из изложенного следует, что S является односторонней минимаксной суммой бесконечного цепного и одноэлементного подмножеств. Лемма до- казана. Таким образом, доказательство теоремы (необходимость) в случае, когда ширина мно- жества S равна двум, завершено. Более точно, мы доказали, что для бесконечного час- тично упорядоченного множества S ширины 2 с положительно определенной формой Титса выполняется одно из следующих условий: 1′) = 1) S — прямая сумма двух цепных подмножеств; 2′) S — почти цепное подмножество; 3′) = 3) S — односторонняя минимаксная сумма двух цепных подмножеств. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 О КРИТЕРИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ОДНОГО КЛАССА БЕСКОНЕЧНЫХ . . . 11 Осталось рассмотреть случай, когда ширина частично упорядоченного множества S равна трем. Заметим, что в этом случае S0 = ∅ (в силу леммы 2). Докажем сначала три леммы, которые понадобятся нам ниже. Лемма 22. Если w(S) = 3 и R — изолированное цепное подмножество в S, содержа- щее более одного элемента, то S \R — почти цепное множество. Доказательство. Если подмножество R бесконечно, то подмножество S \ R шири- ны 2 не содержит подмножеств вида b) (см. лемму 18), иначе S содержит подмноже- ство, изоморфное множеству T из леммы 3. Следовательно, в силу леммы 18 подмно- жество S \ R является почти цепным. Если R конечно, а S0 бесконечно, то S \ R явля- ется почти цепным в силу леммы 19. А случай, когда R и S0 конечны, невозможен, ибо в силу лемм 20 и 21 множество S \ R содержит подмножество, изоморфное множеству {1, 2, 3, 4, 5, 6 | 2 < 3 < 4 < 5 < 6}, а значит, S содержит подмножество, изоморфное множеству T из леммы 3. Лемма доказана. Лемма 23. Если w(S) = 3, то S не может быть односторонней минимаксной суммой цепного и почти цепного подмножеств. Доказательство. Предположим противное и обозначим соответствующее цепное под- множество через P , а почти цепное через Q. Без ограничения общности можно считать, что P C Q (иначе мы заменим S на S∗); обозначим минимальный элемент множества P через a. Тогда Q имеет два максимальных элемента, так как в противном случае подмно- жество, состоящее из элемента a, (единственного) максимального элемента подмноже- ства Q и двух несравнимых между собой элементов этого же подмножества, изоморфно множеству T из леммы 2, и мы приходим к противоречию. Обозначим эти максималь- ные элементы через b и c. Поскольку P C Q, то a < b или a < c; для определенности считаем, что a < b. Тогда элементы a и c несравнимы, иначе S содержит подмножество, изоморфное множеству T ∗ из леммы 2∗, если P бесконечно, и подмножество, изомор- фное множеству T из леммы 6, если Q бесконечно. Легко видеть, что если бесконечным является P , то в S существует подмножество, изоморфное множеству T ∗ из леммы 4∗, а если бесконечным является Q, то в S существует подмножество, изоморфное множеству T ∗ из леммы 11∗. В обоих случаях приходим к противоречию. Лемма 24. Пусть R — бесконечное максимальное цепное подмножество в S. Тогда любое непересекающееся с R подмножество T такое, что R + T является почти цеп- ным, состоит из одного элемента. Действительно, если бы T состояло более чем из одного элемента, то в силу опре- деления почти цепного множества все из них, кроме одного, были бы сравнимы со все- ми элементами из S1, а это противоречит тому условию, что R является максимальным цепным подмножеством в S. Представим S как сумму цепных подмножеств S1, S2 и S3 таких, что S1 является бес- конечным и максимальным цепным (см. предложение). Обозначим через Sij подмноже- ство Si+Sj , где i < j, i, j = 1, 2, 3. В силу доказанного выше для каждого из бесконечных подмножеств (ширины 2) S12 и S13 выполняется одно из условий 1′ – 3′. Покажем сначала, что для каждого из подмножеств S12, S13 выполняется на самом деле условие 1′ или условие 2′. Предположим противное. Тогда для S12 или S13 выполня- ется условие 3′. Для определенности считаем, что условие 3′ выполняется для S12. Тогда ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 12 В. М. БОНДАРЕНКО, А. М. ПОЛИЩУК S12 — односторонняя минимаксная сумма S1 и S2; при этом будем считать, что S1 C S2 (если S2 C S1, то заменим S на S∗); минимальный элемент подмножества S1 обозначаем через a. Если для S13 выполняется либо условие 1′, либо условие 3′ с S1 C S3, то S1 \ {a} является изолированным подмножеством в S \ {a}, а значит, в силу леммы 22 подмно- жество S23 = S23 ∩ (S \ {a}) является почти цепным. Но тогда S — односторонняя ми- нимаксная сумма цепного S1 и почти цепного S23 подмножеств, а это в силу леммы 23 невозможно, и мы приходим к противоречию. А если для S13 выполняется условие 3′ и при этом S3C S1, то S1 имеет также и максимальный элемент, который обозначим через b. Тогда S1 \ {a, b} является изолированным подмножеством в S \ {a, b}, а значит, в силу леммы 22 подмножество S23 = S23 ∩ (S \ {a, b}) является почти цепным. Обозначая че- рез c минимальный элемент S3 и через d максимальный элемент S2, убеждаемся, что S содержит подмножество, изоморфное множеству T из леммы 6, если c < d, и подмно- жество, изоморфное множеству T из леммы 4, если c и d несравнимы. Снова приходим к противоречию. Наконец, рассмотрим случай, когда для S13 выполняется условие 2′. Тогда в силу леммы 24 множество S3 состоит из одного элемента, который обозначим через c; единственный несравнимый с c элемент из S1 обозначим через d. В силу леммы 23 элемент c сравним с некоторым элементом из S2, т. е. хотя бы одно из подмножеств S′2 = {x ∈ S2 | c < x}, S′′2 = {x ∈ S2 | c > x} не является пустым. Пусть сначала непустым является S′2 = {x ∈ S2 | c < x}; зафиксируем в нем некоторый элемент b. Очевидно, что c является минимальным либо в S13, либо в S13 \ {a} (иначе S12 не является минимаксной суммой S1 и S2). В первом случае подмножество в S, состоящее из элементов a = d, c, максимального элемента подмножества S2 и произвольного элемента из S1 \ {a}, изо- морфно множеству T из леммы 6. Пришли к противоречию. А во втором случае из того, что S12 — односторонняя минимаксная сумма S1 и S2, следует, что элемент b является максимальным в S2 и элемент c несравним с подмножеством S2 \ {b}; но тогда (беско- нечное) множество S \ {a} является односторонней минимаксной суммой почти цепного подмножества S13 \ {a} и цепного подмножества S2, что противоречит лемме 23. Пред- положим теперь, что подмножество S′2 пусто, а подмножество S′′2 пустым не является; тогда S′′2 не содержит максимального элемента e множества S2 (иначе w(S) = 2). И под- множество, состоящее из элементов a, c, e и произвольного элемента из S′′2 , изоморфно множеству T из леммы 6. Пришли к противоречию. Итак, как для S12, так и для S13 выполняется одно из условий 1′, 2′. Если для S12 и S13 выполняется условие 1′, то S1 несравнимо с S23 и в силу леммы 22 подмножество S23 является почти цепным, а значит, S удовлетворяет условию 2 тео- ремы. Покажем, далее, что случай, когда как для S12, так и для S13 выполняется условие 2′, невозможен. Предположим противное. Тогда согласно лемме 24 S2 состоит из одного элемента, который обозначим через a, а S3 — из одного элемента, который обозначим через c; единственный несравнимый с a (соответственно с c) элемент из S1 обозначим через b (соответственно d). При этом элемент c несравним с элементами a и b (и тогда d = b), иначе w(S) = 2. И легко видеть, что S содержит подмножество, изоморфное множеству T из леммы 2 или двойственному к нему. Пришли к противоречию. Таким образом, нам осталось рассмотреть случай, когда для одного из подмножеств S12, S13, например для S12, выполняется условие 1′, а для другого — условие 2′. Тогда, как и в предыдущем случае, S3 состоит из одного элемента c; единственный несравнимый с c элемент из S1 обозначаем снова через d. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 О КРИТЕРИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ДЛЯ ОДНОГО КЛАССА БЕСКОНЕЧНЫХ . . . 13 Покажем, что c несравним с S2. Предположим противное. Без ограничения общности можно считать, что c < a для некоторого элемента a ∈ S2 (иначе вместо S рассмот- рим S∗). Тогда подмножество {c, d}> является бесконечным, так как в противном случае бесконечным является подмножество {c, d}< (в силу бесконечности S1), а тогда подмно- жество в S, состоящее из элементов a, c, d и произвольных пяти элементов из {c, d}<, изоморфно множеству T ∗ из леммы 13∗. Далее, поскольку w(S) = 3, то подмножество NS(c) ∩ S2 непусто; зафиксируем в нем некоторый элемент b. Тогда подмножество в S, состоящее из элементов a, b, c, d и произвольных четырех элементов из {c, d}>, изомор- фно множеству T из леммы 5. Пришли к противоречию и, следовательно, c несравним с S2, а тогда S удовлетворяет условию 2 теоремы. Доказательство теоремы (необxодимость) завершено. 4. Доказательство основной теоремы: достаточность. Предположим сначала, что бес- конечное частично упорядоченное множество S является прямой суммой двух цепных или цепного и почти цепного множеств, и покажем, что форма Титса qS(z) положитель- но определена. В силу определения формы Титса в бесконечном случае это достаточно показать для (конечных) частично упорядоченных множеств P = Pm,n−m = {−m,−m+ +1, . . . ,−1,−0,+0, 1, 2, . . . ,m,m + 1, . . . , n | − m ≺ −m + 1 ≺ . . . ≺ −1 ≺ −0 ≺ 1 ≺ ≺ 2 ≺ . . . ≺ m,−1 ≺ +0 ≺ 1,m + 1 ≺ . . . ≺ n}, где n и m < n — произвольные натуральные числа. Более того, поскольку для каждого z ∈ ZP∪0 имеем (легко прове- ряемое) равенство qP (z) = qQ(z′), где Q = Pm,0, z′0 = z0 − ∑n s=m+1 zs, z ′ s = zs при s = −m,−m + 1, . . . ,−1,−0,+0, 1, 2, . . . ,m и z′s = −zs при s = m + 1, . . . , n, то поло- жительность формы Титса достаточно показать для (почти цепных) множеств Q = Pm,0. А это видно из следующего (легко проверяемого) равенства: 2qQ(z) = z2 0 + ∑−1 i=−m z 2 i + + ∑m i=1 z 2 i + (z−0 − z+0)2 + (z0 − ∑ j∈Q zj) 2. Покажем теперь, что форма Титса qS(z) является положительно определенной, если S — односторонняя минимаксная сумма двух цепных подмножеств. При этом это доста- точно, очевидно, показать для (конечных) частично упорядоченных множествR = Rn = = {1, 2 . . . , 2n | 1 ≺ 2 . . . ≺ n, n+ 1 ≺ . . . ≺ 2n, 1 ≺ 2n}, где n > 1. Обозначим через R′ = = R′n частично упорядоченное множество (R \ {2n})∪ {−1}, где −1 связан (отношением порядка) с элементами из R следующим образом:−1 < i при i = 2, . . . , n; это множество является прямой суммой цепного и почти цепного подмножеств. И положительная опре- деленность формы Титса qR(z) вытекает из следующего (легко проверяемого) равенства: qR(z) = qR′(z′), где z′0 = z0 − z2n, z′i = zi при i = 1, . . . , n, n+ 1, . . . , 2n− 1, z′−1 = −z2n. Доказательство теоремы (достаточность) завершено. 1. Дрозд Ю.А. Преобразования Кокстера и представления частично упорядоченных множеств // Функ- цион. анализ и его прил. — 1974. — Вып. 8. — С. 34 – 42. 2. Bongartz K. Algebras and quadratic forms // J. London Math. Soc. — 1983. — 28, № 3. — P. 461 – 469. 3. Ringel C. M. Tame algebras and integral quadratic forms // Lect. Notes Math. — Berlin etc.: Springer, 1984. — 1099. — 376 p. 4. Митропольский Ю. А., Самойленко А. М., Кулик В. Л. Применение квадратичных форм к исследова- нию систем линейных дифференциальных уравнений // Дифференц. уравнения. — 1985. — 21, № 5. — С. 776 – 788. 5. Кочубей А. Н. Фундаментальные решения псевдодифференциальных уравнений, связанных с p-ади- ческими квадратичными формами // Изв. РАН. — 1998. — 62, № 6. — C. 103 – 124. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1 14 В. М. БОНДАРЕНКО, А. М. ПОЛИЩУК 6. Gregory J. Generalized Fredholm quadratic forms and integral differential equations of the second kind // J. Math. Anal. and Appl. — 1970. — 70, № 1. — P. 120 – 130. 7. Crandall M. G. Semidifferentials, quadratic forms and fully nonlinear elliptic equations of second order // Ann. Inst. H. Poincaré Anal Non Linéare. — 1989. — 6, № 6. — P. 419 – 435. 8. Corovei I. Some functional equations connected with quadratic forms // Anal. Numér. Théor. Approxim. — 1990. — 19, № 2. — P. 123 – 127. 9. Al-Naggar I., Pearson D. B. Quadratic forms and solutions of the Schrödinger equation // J. Phys. A. — 1996. — № 20. — P. 6581 – 6584. 10. Бондаренко В. М., Полищук А. М. О квадратичной форме Титса для бесконечных частично упорядо- ченных множеств // Наук. вiсн. Ужгород. ун-ту. — 2002. — Вып. 7. — С. 3 – 8. 11. Биркгоф Г. Теория решеток. — М.: Наука, 1984. — 564 c. Получено 15.11.2002 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2003, т . 6, N◦ 1