不动点,是一个
函数术语,在
数学中是指“被这个函数
映射到其自身一个点”。
举例
例如,定义在实数上的函数f,
f(x)=x2-3x+4,
则2是函数f的一个不动点,因为 f(2)=2。
也不是每一个函数都具有不动点。例如定义在实数上的函数f(x)=x+1就没有不动点。因为对于任意的实数,x永远不会等于x+1。用画图的话来说,不动点意味着点 (x,f(x))在直线y=x上,或者换句话说,函数f的图像与那根直线有共点。上例 f(x)=x+1的情况是,这个函数的图像与那根直线是一对
平行线。
在函数的有限次迭代之后回到相同值的点叫做
周期点;不动点是周期等于 1 的周期点。
原理
不动点原理是数学上一个重要的原理,也叫
压缩映像原理或
巴拿赫(
Banach)
不动点定理,完整的表达:
完备的
度量空间上,到自身的一个
压缩映射存在唯一的不动点。用
初等数学可以这么理解:连续映射f的
定义域包含
值域,则存在一个x使得f(x)=x。
不动点的概念可以推广到一般的
拓扑空间上。 假设X是
拓扑空间, f:X→X是一个连续映射, 且存在x∈X, 使得f(x)=x, 就称x是不动点。
数学应用
2 利用f(x)的不动点求函数或多项式的解析式
5 求解一阶递归数列的极限
开方:
公式:X(n+1)=Xn+(A/Xn^2-Xn)1/3设A=5,开3次方
5介于1^3至2^3之间(1的3次方=1,2的3次方=8)
X_0可以取1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0都可以。例如我们取2.0.按照公式:
第一步:X1={2.0+[5/(2.0^2-2.0]1/3=1.7.}。即5/2×2=1.25,1.25-2=-0.75,0.75×1/3=0.25,输入值大于输出值,
负反馈2-0.25=1.75,取2位数值,即1.7。
第二步:X2={1.7+[5/(1.7^2-1.7]1/3=1.71}.。
即5/1.7×1.7=1.73010,1.73-1.7=0.03,0.03×1/3=0.01,输入值小于输出值
正反馈1.7+0.01=1.71。取3位数,比前面多取一位数。
第三步:X3={1.71+[5/(1.71^2-1.71]1/3=1.709}输入值大于输出值,负反馈
第四步:X4={1.709+[5/(1.709^2-1.709]1/3=1.7099}.输入值小于输出值正反馈
这种方法可以自动调节,第一步与第三步取值偏大,但是计算出来以后输出值会自动转小;第二步,第四步输入值偏小,输出值自动转大。X_4=1.7099。
当然也可以取1.1,1.2,1.3,...1.8,1.9中的任何一个。
实际应用
取一个浅盒和一张纸,纸恰好盖住盒内的底面。可想而知此时纸上的每个点与正在它下面的盒底上的那些点配成对。把这张纸拿起来,随机地揉成一个小球,再把小球扔进盒里。拓扑学家已经证明,不管小球是怎样揉成的,也不管它落在盒底的什么地方,在揉成小球的纸上至少有一个这样的点,它恰好处在它盒底原来配对点的正上方。
通过具体找到这个点,就能说明这个问题了。
纸被揉成球以后,看它投到纸盒底部的影子。纸盒底部的影子区域肯定比纸盒底要小。那么,就取纸盒底部的在影子内的那个部分,它肯定对应于纸团里面的某一小团部分。(因为整个底板对应于整个纸团,那么底板的一部分就肯定对应于一部分纸团)
假如去掉纸团的其他部分,那一小团部分同样可以在纸盒底面投影,而且投影肯定比刚才的大投影小,而且在它之内。(因为它是在整个纸团之内)。那么,取这一小片投影(注意这片影子肯定是连续的不会断开,因为纸没有撕裂),当它再往纸团里对应的时候,肯定对应于其中更小的一团。我们再次把多余的纸去掉。
就是说:
整个纸盒对应于纸团
纸盒【在纸团投影内的部分】对应于纸团内的一小块
纸盒【一小块的投影的部分】对应于刚才那一小块内的更小一块
纸盒【更小块投影的部分】对应于更小块中的更更小一块
…………………………
不断地去掉纸无限次,最后纸团只剩下了一个点,它的投影就对应于纸盒的一个点。
吸引不动点
函数f的吸引不动点是f的不动点x0使得,对在足够接近x0的定义域中的任何x值而言,
迭代函数序列
收敛于x0。如何接近才是“足够接近”有时是个微妙的问题。
自然
余弦函数(自然意味着使用
弧度而非
角度)有精确的一个吸引不动点。在这种情况下,“足够接近”根本不是严格标准 -- 为了展示这个情况,在计算器上开始于任何实数并重复按“cos”键。它会快速的收敛于大约 0.73908513,这就是不动点。这是余弦函数和线 y=x 在图上的交叉点。
不是所有不动点都是吸引的:例如,x=0是函数 f(x)=2x 的不动点,但是这个函数对非零任意值的迭代快速的发散。
吸引不动点被称为稳定不动点如果它也是
李雅普诺夫稳定性的。
一个不动点被称为是中立稳定不动点如果它是
李雅普诺夫稳定性的但不是吸引的。二阶齐次线性微分方程的中心点是中立稳定不动点的例子。
定理
在数学的不同部分有很多定理保证函数、在一定的条件下,必定有一个或者更多的不动点。这些在最基本的定性结果当中,那些普遍性应用的
不动点定理是非常具有价值的洞察。