巴拿赫不動點定理和迭代法

在巴拿赫空間中,收縮算子在閉集上具有唯一的不動點。

這個定理也叫壓縮映像原理,確保了迭代法的收斂性。

首先來看收縮算子的定義,\Vert Au-Av\Vert\leq k\Vert u-v\Vert,k<1,意思就是算子A作用后,空間中的兩個點會靠得更近。從直觀上,我們就能感覺到不斷使用這個算子,就能把一個集合中的點都聚在一起。這個其實就是定理的內容,不過,定理描述的更加精確,這種互相靠近的速度,初始點和不動點的誤差,有限次迭代點和不動點的誤差,都可以被精確的描述出來。

這個定理的證明就使用了巴拿赫空間的完備性,可以證明迭代序列u_0,Au_0,A^2u_0,\dots,A^nu_0,\dots是一個柯西序列,所以必然收斂。這個最終收斂的點就是不動點,滿足條件u=Au

迭代法和序列結構的構造,迭代是一種特殊的順序性結構,反映了相同模式的重復出現,比如二叉樹,就是在每一個葉節(jié)點上分出兩個枝條,這一構造模式的反復應用。這種結構和自相似結構有很大的關聯,科赫雪花,在每一條邊上添加一個角,康托集,在每一個區(qū)間上三等分,去除中間的部分。所以,雖然對于這種收縮算子而言,迭代法顯得有些過于簡單了,將其抽象為一種代數結構時,就可以構造出非常復雜而精美的結構。分析更多體現了一種實用性,而代數則往往可以反映數學的形式美。

對于抽象一些的內容,就是可計算性理論中的遞歸函數,或者實用化為程序里面的遞歸,這種遞歸操作也是一種迭代法的實現。還有就是數值分析和數值計算中的應用了,在給定精度下,盡可能快的收斂到所需的值。

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