巴拿赫不动点定理

✍ dations ◷ 2025-04-04 23:47:24 #拓扑学,不动点,度量几何,数学定理

巴拿赫不动点定理,又称为压缩映射定理或压缩映射原理,是度量空间理论的一个重要工具。它保证了度量空间的一定自映射的不动点的存在性和唯一性,并提供了求出这些不动点的构造性方法。这个定理是以斯特凡·巴拿赫命名的,他在1922年提出了这个定理。

设(, )为非空的完备度量空间。设 : → 为上的一个压缩映射,也就是说,存在一个非负的实数 < 1,使得对于所有内的和,都有:

那么映射在内有且只有一个不动点*(这就是说,* = *)。更进一步,这个不动点可以用以下的方法来求出:从内的任意一个元素0开始,定义一个迭代序列 = -1,其中 = 1,2,3,……。那么,这个序列收敛,极限为*。以下的不等式描述了收敛的速率:

等价地:

满足以上不等式的最小的有时称为利普希茨常数。

注意对于所有不同的和都有d(, ) < d(, )的要求,一般来说是不足以保证不动点的存在的,例如映射 : [1,∞) → [1,∞),() = + 1/,就没有不动点。但是,如果空间是紧的,则这个较弱的假设也能保证不动点的存在。

当实际应用这个定理时,最艰难的部分通常是如何恰当地定义,使把元素从映射到,即总是的一个元素。

选择任何 x 0 ( X , d ) {\displaystyle x_{0}\in (X,d)}  n都有一个唯一的不动点。设为一个实数,0 < q < 1。那么存在上的一个完备度量,使得是压缩映射,且是压缩常数。

一个有趣的事实是,若把某国的地图缩小后印在该国领土内部,那么在地图上有且仅有这样一个点,它在地图中的位置也恰巧表示它所落在的土地位置。证明如下:

关于巴拿赫不动点定理的推广,请参见无穷维空间中的不动点定理。

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