Теорема Банаха про нерухому точку
Ця теорема була сформульована і доведена у 1922 році Стефаном Банахом. Вона є однією з найбільш класичних і фундаментальних теорем функціонального аналізу, а тому її результати використовуються при доведенні багатьох інших тверджень цієї дисципліни.
Формулювання теореми
Всяке стискальне відображення повного метричного простору в себе має єдину нерухому точку (яку можна знайти методом послідовних наближень, починаючи з будь-якої точки цього простору).
Пояснення
Нехай (X,d) — повний метричний простір, — відображення метричного простору X в себе, тоді існує єдиний елемент x метричного простору X, що при відображенні A переходить в себе, тобто A(x)=x.
Для того, щоб знайти цей елемент, можна побудувати таку послідовність. Потрібно взяти довільний елемент , потім покласти
, після цього взяти
, далі —
, і так далі. Отрималась послідовність
, яка прямує до шуканого елемента x (при
)
Доведення
Нехай (X,d) — повний метричний простір, — стискальне відображення. Розглянемо послідовність наближень
, у якій
, а
— довільний елемент. Потрібно довести існування нерухомої точки і єдиність.
Існування. Покажемо, що ця послідовність є фундаментальною, тобто, що для будь-якого ε>0 для всіх m і n, більших деякого виконуватиметься нерівність
. Дійсно, оскільки A - стискальне відображення, тоді існує
(α - коефіцієнт стиснення) таке, що для всіх
виконуватиметься нерівність:
. Візьмемо ε>0, а також
таке, щоб
(очевидно, що це завжди можна зробити, бо
прямує до 0 при
). Розглянемо
, не зменшуючи загальності, можна вважати, що m>n:
, що і означає фундаментальність послідовності
. Оскільки метричний простір X — повний, то послідовність
збіжна у ньому. Позначимо границю цієї послідовності через x. Тоді
, тобто A(x)=x. Існування доведено.
Єдиність. Припустимо, що існують відмінні один від одного і
такі, що
, тоді з одного боку (оскільки x та
— нерухомі точки)
, з іншого, зважаючи на те, що A — стискальне відображення,
. Отримана суперечність доводить єдиність.
Теорему доведено.
Див. також
Література
- Березанский Ю. М., Ус Г. Ф., Шефтель З. Г. Функциональный анализ : курс лекций. — К. : Вища школа, 1990. — 600 с.(рос.)
- М. І. Жалдак, Г. О. Михалін, С. Я. Деканов. Математичний аналіз. Функції багатьох змінних: Навчальний посібник. — Київ, НПУ імені М. П. Драгоманова, 2007. - 430 с.
- Кирилов А.А., Гвишиани А.Д. Теоремы и задачи функционального анализа.
- Люстерниик Л.А., Соболев В.И. Элементы функционального анализа.
Посилання
- [недоступне посилання з липня 2019 Курс диференціальних рівнянь. Розділ 2][недоступне посилання з жовтня 2019]