在全球化趋势下, 对于供应链这个日益复杂的系统, 如何分析和提高其可靠性变得日益迫切, 并受到越来越多的关注[1-6, 8]. Thomas于2002年首次将可靠性工程应用到供应链中, 提出用可靠度来度量供应链系统的可靠性[3]. Sohn等认为供应链的可靠性就是顾客要求的产品质量可靠性[4].王建、张文杰从单级供应链可靠性分析出发进行了可靠性的定量分析, 并根据分析结果提出了一些提高供应链可靠性的措施[5].在文献[6]中作者通过分析供应链系统的状态之间的转移关系, 引入补充变量, 用补充变量法[7], 建立了供应链系统的可靠性模型, 并对该模型系统解的存在唯一性进行讨论和证明.在文献[8]中当修复率为常数时讨论系统解的渐近性质.本文在文献[6]的基础上当修复率为函数时, 通过研究相应算子的谱的特征得到该系统时间依赖解的渐近行为.
由文献[6]知道, 该供应链系统的数学模型用以下方程组描述:
其中$(x, t)\in [0, \infty)\times [0, \infty);$$p_{0}(t)$表示在时刻t供应链系统正常运作的概率; $p_{i}(x, t)dx\;(i=1, 2, 3, 4)$表示在时刻t供应链系统处于故障状态$i \;(i=1, 2, 3, 4)$, 在该状态已经驻留了x时间, 在$(x, x+dx]$离开故障状态的概率; $\lambda_i\;(i=1, 2, 3, 4)$是从正常运作状态到状态$i\;(i=1, 2, 3, 4)$的失效率; $\mu_i(x)\;(i=1, 2, 3, 4)$表示供应链系统离开状态$i\, (i=1, 2, 3, 4)$的修复率.
取状态空间为
显然, X是一个Banach空间[9].为简单起见, 定义
则可以定义算子$A_m$和它的定义域$D(A_m)$为
选取X的边界空间$\partial X:=\mathbb{C}^4, $并且定义边界算子$L: D(A_m)\rightarrow \partial X$与$\Phi : D(A_m)\rightarrow \partial X$如下:
如果定义算子$(A, D(A))$为$ Ap=A_mp, \;\; D(A)=\left\{p\in D(A_m)\left|Lp=\Phi p\right.\right\}, $那么方程(2.1)-(2.4) 可以描述为Banach空间X上的抽象Cauchy问题:
在文献[6]中作者得到了以下结果.
定理2.1 算子$(A, D(A))$生成一个正压缩$C_0$ -半群$T(t)$.系统(2.5) 存在唯一的正时间依赖解$p(x, t)=T(t)p(0), $并且满足
引理3.1 0是A的几何重数为1的特征值.
证 讨论方程$Ap=0$, 即
解(3.2) 有
(3.4) 式结合(3.3) 式推出
由(3.4) 与(3.5) 式算出
这说明0是A的特征值.由(3.1), (3.4), (3.5) 式知道对应于0的特征向量空间是一维的线性空间, 即0的几何重数为1.证毕.
下面研究A的豫解集.为此首先定义算子$(A_0, D(A_0))$并研究它的豫解集; 其次通过考虑$(\gamma I-A_m)$的核来定义Dirichlet算子$D_\gamma$并推出$\Phi D_\gamma$的表达式; 然后用文献[10]中的结果得到A的豫解集, 从而推出本文的主要结果.
定义算子$(A_0, D(A_0))$为
那么对任意$y\in X$, 考虑方程$(\gamma I-A_0)p=y, $这等价于
解(3.6) 与(3.7) 推出
$\forall f\in L^1 [0, \infty)$, 若记
那么(3.9) 与(3.10) 式变为
即
由上述表达式和豫解集的定义可得以下结论.
引理3.2 设$\mu_i(x):[0, \infty)\rightarrow[0, \infty) (i=1, 2, 3, 4)$是可测函数, 若
则$ \left\{\gamma \in \mathbb{C}\left | \text{Re}\gamma +\underline{\mu}>0\right.\right\}\subset\rho(A_0).$
证 对任意的$f\in L^1[0, \infty)$用分部积分法估计出
对任意的$y\in X$, 由条件$\text{Re}\gamma+\underline{\mu}>0$与(3.11) 式推出
此式说明引理的结论成立.证毕.
引理3.3 设$\mu_i(x)\; (i=1, 2, 3, 4)$是可测函数, 且
若$\gamma \in \rho(A_0), $则
证 如果$p\in\ker(\gamma I-A_m), $则$(\gamma I-A_m)p=0, $这等价于
解(3.15) 推出
将(3.16) 式代入(3.14) 式算出
由于$p\in \ker(\gamma I-A_m), \; p\in D(A_m)$, 所以用嵌入定理[11]得到
(3.16)-(3.18) 式说明(3.12) 与(3.13) 式成立.
反之, 如果(3.12), (3.13) 式成立, 则有
由(3.13) 式知道
从而有
(3.19) 与(3.20) 式表示$p\in\ker (\gamma I-A_m).$证毕.
由于L是满射, 所以
可逆.如果$\gamma\in\rho (A_0), $那么定义Dirichlet算子为
由引理3.3知道$D_\gamma$的具体表达式为
其中$\alpha_i=\frac{1}{\gamma+\Lambda}\displaystyle\int_0^\infty \mu_i (x)\delta_i dx, \; \delta_i= e^{-\gamma x-\int_0^x\mu_i(\tau)d\tau}, \;i=1, 2, 3, 4.$
由$D_\gamma$的表达式和$\Phi$的定义推出$\Phi D_\gamma $的表达式
这里$\varepsilon_{ij}=\frac{\lambda_i}{\gamma+\Lambda}\displaystyle\int_0^\infty \mu_j(x)e^{-\gamma x-\int_0^x \mu_j(\tau)d\tau}dx, \; i, j=1, 2, 3, 4.$
在文献[10]中作者得到以下结果.
引理3.4 设$\gamma\in\rho(A_0)$且存在$\gamma_0\in \mathbb{C}$使得$1\not\in \sigma(\Phi D_{\gamma_0}) $, 则
结合引理3.4与文献[12]得到如下结论:
引理3.5 设$\mu_i(x)\; (i=1, 2, 3, 4)$是可测函数, 若
那么在虚轴上除了0外其他所有点都属于A的豫解集.
证 设$\overrightarrow{a}=(a_1, a_2, a_3, a_4), \;|a_k|<\infty \;(k=1, 2, 3, 4), \text{ 并且}\;\gamma=ih, \; h\in R\backslash\{0\}. $由Riemann-Lebesgue引理
知道存在非负常数$\mathcal {K}>0$使得对一切$|h|>\mathcal {K}$有
从而对$|h|>\mathcal{K}$, 由(3.22) 式和$\displaystyle\int_0^\infty b(x)e^{-\int_0^x b(\tau)d\tau}dx=1$推出
(3.23) 式表明当$|h|>\mathcal{K}$时谱半径$r(\Phi D_\gamma)<\|\Phi D_\gamma\|<1, $这说明$1\not\in \sigma (\Phi D_\gamma).$此结果结合引理3.4知道当$|h|>\mathcal{K}$时有$\gamma\not\in \sigma(A)$, 即
另外由定理2.1与文献[12]中的推论2.3知道$\sigma(A)\cap i\mathbb{R}$是虚加法循环.即
从而由(3.24), (3.25) 式与引理3.1推出$\sigma(A)\cap i\mathbb{R}=\{0\}$.证毕.
由文献[13]知道X的共轭空间为
容易证明$X^*$是一个Banach空间[7].根据文献[8]知道A的共轭算子$A^*$为
其中
下面证明0是$A^*$的几何重数为1的特征值.
引理3.6 0是$A^*$的几何重数为1的特征值.
证 考虑方程$A^*q^*=0, $即
解(3.27) 有
(3.29) 式两边同时乘$e^{-\int_0^x\mu_i(\tau)d\tau}$, 并用(3.28) 式推出
(3.30) 式代入(3.29) 式可得
(3.31) 式表明
即0是$A^*$的特征值.由(3.31) 式看出对应于0的特征向量空间是1维的.换句话说, 0的几何重数为1.证毕.
结合定理2.1, 引理3.1, 引理3.5, 引理3.6与文献[14]中的定理14推出本文的主要结论.
定理4.1 设$\mu_i(x)\; (i=1, 2, 3, 4)$是可测函数, 且满足
则系统(2.5) 的时间依赖解强收敛于该系统的稳态解, 即
其中$p(x)$是引理3.1中的特征向量.