不动点定理研究教案资料

不动点定理研究

前言

不动点理论的研究兴起于20世纪初,荷兰数学家布劳维在1909年创立了不动点理论[1]．在此基础上，不动点定理有了进一步的发展，并产生了用迭代法求不动点的迭代思想．美国数学家莱布尼茨在1923年发现了更为深刻的不动点理论，称为莱布尼茨不动点理论[2]．1927年，丹麦数学家尼尔森研究不动点个数问题，并提出了尼尔森数的概念[3]．

我国数学家江泽涵、姜伯驹、石根华等人则大大推广了可计算尼森数的情形，并得出了莱布尼茨不动点理论的逆定理[4]．最后给出结果的是波兰数学家巴拿赫(Bananch)[6]，他于1922年提出的压缩映像（俗称收缩映射）原理发展了迭代思想，并给出了Banach不动点定理[6]．这一定理有着及其广泛的应用，像代数方程、微分方程、

许多著名的数学家为不动点理论的证明及应用作出了贡献.例如，荷兰数学家布劳威尔在1910年发表的《关于流形的映射》[2]一文中就证明了经典的不动点定理的一维形式.即,设连续函数()fx()fx把单位闭区间[0,1]映到[0,1][0,1]中，则有0[0,1]x，使00()fxx.波利亚曾经说过：“在问题解决中，如果你不能解答所提的问题，那么就去考虑一个适当的与之相关联的辅助问题”.“不动点”就是一个有效的可供选择的辅助问题。

作为Brouwer不动点定理从有限维到无穷维空间的推广，1927年Schauder证明了下面不动点定理，我们称其为Sehauder不动点定理I：定理

2 设E是Banach空间，X为E中非空紧凸集，XXf:是连续自映射，则f在X 中必有不动点. Sehauder不动点定理的另一表述形式是将映射的条件加强为紧映

射(即对任意Xx，xf是紧的)，这时映射的定义域可不必是紧集，甚至不必是闭集。

1935年，Tyehonoff进一步将Sehauder不动点定理I推广到局部凸线性拓扑空间，得到了下面的不动点定理，我们称其为Tyehonoff不动点定理（吉洪诺夫不动点定理）。

1950年，Hukuhara将Schauder不动点定理II与Tyehonoff不动点定理结合起来得到面的定理，我们称其为Sehauder--Tychonoff不动点定理：1941年，kllcIltani把Bmuwer不动点定理推广到集值映射的情形，得到下面的不动点定理，我们称其为Kakutani不动点定理：（克莱尼）1950年，Botmenblust，Karlin把Sehauder不动点定理I推广到集值映射的情形：

1952年，Fan，Glicksberg分别把Tyehonoff不动点定理推广到集值映射的情形，成为

Kakutani-Fan-Glicksberg不动点定理或K-F—G不动点定理.即

1968年，Browder又证明了另一种形式的关于集值映射的不动点定理，本文称此定理为Fan-Browder不动点定理：

布劳德不动点定理 : 由布劳德(Browder,F.E.)提出的带边界条件的集值映射不动点定理.设X是局部凸拓扑线性空间,C为X中非空紧凸集,F:C→2X具非空

闭凸值且上半连续.记δ(C)={x∈C|存在X的有限维线性子空间E,使得x属于

C∩E在E中的边界}.若F满足下述两边界条件之一,则F有不动点:

论中，角谷的不动点定理现在被频繁使用。

莱夫谢茨证明，L(f)是整数，且如L(f)≠0，则f至少有一个不动点．其后莱夫谢茨对他的不动点定理进行一系列推广，先是推广到有边界流形(1926)，在H．霍普夫(Hopf)推广到n维复形的特殊情形(1928)之后，莱夫谢茨又在1930年推广到具有有限贝蒂数的有限维紧度量空间，在1933年对有限维复形给出简单而漂亮的证明，最后他推广到所谓广义流形及局部连通空间．

以不动点定理为中心，莱夫谢茨把代数拓扑学推进到一个新阶段．对于交截、乘积和上同调，对于对偶定理、相对同调和奇异同调以及局部连通集都做出系统的发展．

原始的莱夫谢茨不动点定理不能包括布劳威尔不动点定理．为了把不动点定理推广到有边界流形(相对流形)，他引入了相对同调群，并把庞加莱对偶定理推广到相对情形，得出莱夫谢茨对偶1374 定理．这不仅是一种推广，而且把以前两个互不相关的庞加莱对偶定理和亚力山大对偶定理统一在一起．

不动点定理在数学中占有重要地位，它在无穷维空间被推广成为分析的重要工具，M．F阿蒂亚(Atiyah)及R．鲍特(Bott)把莱夫谢茨不动点定理推广到椭圆复形．江泽涵和姜伯驹等对不动点理论亦有重大发展．

代数拓扑的莱夫谢茨不动点定理（和尼尔森不动点定理）值得注意，它在某种意义上给出了一种计算不动点的方法。存在对博拉奇空间的概括和一般化，适用于偏微分方程理论

一、不动点算法

又称固定点算法。所谓不动点，是指将一个给定的区域A,经某种变换

ƒ(x),映射到A时,使得x=ƒ(x)成立的那种点。最早出现的不动点理论是布劳威尔定理(1912)：设A为R n中的一紧致凸集, ƒ为将A映射到A的一连续函数，则在A中至少存在一点x，使得x=ƒ（x）。其后，角谷静夫于1941年将此定理推广到点到集映射上去。设对每一x∈A，ƒ(x)为A的一子集。若ƒ(x)具有性质：对A上的任一收敛序列x i→x0，若y i∈ƒ(x i)且y i→y0，则有y0∈ƒ(x0),如此的ƒ(x)称为在A上半连续，角谷静夫定理：设A为R n中的一紧致凸集，对于任何x∈A，若ƒ(x)为A的一非空凸集，且ƒ(x)在A上为上半连续，则必存在x∈A,使x∈ƒ(x)。J.P.绍德尔和J.勒雷又将布劳威尔定理推广到巴拿赫空间。

不动点定理在代数方程、微分方程、积分方程、数理经济学等学科中皆有广泛的应用。例如，关于代数方程的基本定理，要证明ƒ(x)=0必有一根，只须证明在适当大的圆│x│≤R内函数ƒ(x)+x有一不动点即可；在运筹学

中，不动点定理的用途至少有二：一为对策论中用来证明非合作对策的平衡点的存在和求出平衡点；一为数学规划中用来寻求数学规划的最优解。对于一个给定的凸规划问题：min{ƒ(x)│g i(x)≤0，i=1,2,…,m}，在此,ƒ和g1,g2,…,g m皆为R n中的凸函数。通过适当定义一个函数φ,可以证明：若上述问题的可行区域非空，则φ的不动点即为该问题的解。

在1964年以前，所有不动点定理的证明都是存在性的证明，即只证明有此种点存在。1964年，C.E.莱姆基和 J.T.Jr.豪森对双矩阵对策的平衡点提出了一个构造性证明。1967年，H.斯卡夫将此证法应用到数学规划中去。其后，不动点定理的构造性证明有了大的发展和改进。

H.斯卡夫的证明是基于一种所谓本原集，后来的各种发展皆基于某种意义下的三角剖分。现以n维单纯形S n为例来说明这一概念，在

此,。对每一i, 将区间0≤x i≤1依次分为m1,m2…等分，m1

点依次作平行于x i=0的平面。这些平面将S n分成若干同样大小的n维三角形。它们的全体作成的集 G i,称为S n的一三角剖分。设ƒ(x)为

S n→S n的一连续函数，x＝(x1,x2,…,x n+1),ƒ（x）=（ƒ1（x），ƒ2（x），…，ƒn+1（x））。定义。由于ƒ(x)和x皆在S n上,若有

则显然有ƒ(x)=x,即x为ƒ(x)的一不动点。

对每一点y∈S n赋与标号l(y)=k=min{j│y∈C j,且y j>0}。由著名的施佩纳引理,在G i中必存在一三角形σi，它的n+1个顶点y i(k)的标号分别为