5
Б. Вергейм
Метод
неподвижных
точек
Когда мы ищем решение какого-нибудь уравнения, хорошо знать заранее, что у него есть решение — ведь если нет, то зачем время зря тратить? Это сообщение становится весом серъезным, когда речь идет о решении сложных уравнений и систем на мощных ЭВМ с дорогостями машинным временем. Поэтому очень важно роль играют так называемые теоремы существования и, которые заранее гарантируют наличие решения. Об одной из них — теореме Брауэра о неподвижной точке, интересной и полезной уже на школьном уровне, — и рассказано в этой статье.
Прогулка
Нанhem с прогулки, помня о пользове и вечности движения; в пути будут и неподвижные точки, и уравнения.
Путниковоеовое один направляется из пункта в пункта , другой все время гуляет на дороге . Очевидно, их встреча неизбежна: путики хотят бы раз поравняются (оказутся одновременно в одной точке). Опишем это подробнее (рис. 1).
Пусть — координата первого () путика и скорость его постоянна; — координата второго (). Каждому значению (положению первого путика) соответствует единственное значение (положение второго путика в тот же момент времени); итак, имеем функицию . Уравнение
определяет место встречи.
Пример 1. Пусть , м, . Если , то ; если , то — первый обошел! Уравнение 100+
Рис. 1
6
+0,7x = x дает координату x = 333 1/3 м — здесь первый догонит второго.
Если движение второго последнее, то и функция f, и уравнение встречи будут потребнее, но все равно оченьindo, что хотя бы одна встреча произойдет.
Однако это «очевидно» нас как математиков неSTRAINВАЕТ; преждечем пойти дальше, мы уточним математическую постановку задачи и доказем существование встречи.
Предположим (как в примере 1), что функция f отображает отрезок [a; b] в себя, т. е. для всех x ∈ [a; b] имеем a ≤ f(x) ≤ b. Тогда всякое решение уравнения f(x) = x называется неподвижной точкой отображения f. (В нашем примере неподвижная точка — это как раз точка встречи.) Когда же она есть?
Теорема. У всякой непрерывной функции f, отображающей отрезок [a; b] в себя, существует неподвижная точка.
В теореме существны как непрерывность функции f, так и то, что речь идет об отрезке.
Упражнение 1. Укажите пример разрывной функции f, отображающей [a; b] в себя, без неподвижной точки.
Упражнение 2. Укажите примеры непрерывных функций, отображающих в себя, без неподвижных точки: а) объединение двух отрезков [a; b] ∪ [c; d]; б) * интегвал ]a; b[.
Для доказательства теоремы вооружимся красным и снимкам карандашами. Прежде чем их пустить в ход, обозначим
Ясно, что c ∈ [a; b] будет неподвижной точкой для f тогда и только тогда, когда c — корень уравнения . Поэтому мы будем искать корень этого уравнения. Заметим, что из условия a ≤ x ≤ b, a ≤ f(x) ≤ b сразу следует и . Мы будем считать оба неравенства строгими (в противном случае задача решения). Разделим теперь отрезок [a; b] на 10 равных частей и раскраим в красный цвет все отрезки, для которых значение
Функция cos x³ непрерывна; она отображает отрезок [−π/2, π/2] в себя (далее в отрезок [−1, 1]); значит, по теореме существует решение c ∈ [−π/2, π/2].
7
Заметим, что числа — это приближения к корню, и что делить отрезок можно не на 10, а скажем, на 2 части; такой прием (способ Большано — по имену чешского математика) фактически применяется наряду с другими алгоритмами приближенного решения уравнения.
Кроме того, наша теорема ничего не говорит о числе неподвижных точек: ясно, что их может быть много.
Чашка кофе
А теперь — чашка кофе! Размещая его плаваными круговыми движениями, увидим в центре неподвижную точку. При некоторых движениях картина сложнее, но если рассмотреть положения части в два разных момента времени, можно найти частицу, неподвижную в том смысле, что она оба раза — нё, быть может, не все время! — находится в одном и том же месте. Это оченьно, если приять физическое условие неподвижности части у стенок из-за трения, и не оченьно — но верно! — и без такого условия, лишь бы имела место непрерывность соответствующего отображения (то есть «близкие» частицы не расходились бы слишком далеко).
Чтобы «математизировать» рассмотренную ситуацию, нам будут нужны некоторые определения.
Пусть — множество точек (например, часть прямой, плоскости или пространства); — отображение множества в себя: оно каждой точке ставит в соответствии ее образ . Такое отображение называется непрерывным, если для любой точки и любого существует такое , что для всех точек , удаленных от на расстояние, меньше , расстояние между их образами и оказывается меньше .
Для случая, когда лежит на числовой прямой, расстояния между точками равно , между их образами — , так что наше определение в существии совпадает с определением непрерывной функции («Алгебра и начала анализа 9», п. 38).
Наглядный смысл определения в том, что непрерывное отображение не должно иметь разрывов — очень близкие точки не могут слишком далеко отроваться друг от друга.
Как и раньше, мы назовем точку неподвижной точкой отображения множество в себя, если .
Когда у отображения обязательно есть неподвижная точка? Ответ на этот вопрос дает
Teорема Брауэра
о неподвижной точке
Эта знаменита теорема строго доказана не так уж давно — в 1911 году*). Вместе с многочисленными обобщениями она играет видающего роль в ряде областей современной математики. Теоремы о неподвижных точках важны и в теории, и для приложений: их применяют и для расчета крыльев самолетов, и для анализа оптимальных стратегий и состояний равновесия в играх, и в математике-экономических моделях.
Teорема Брауэра. У всякою непрерывного отображения круга (вместе с его границей) в себя существует непрерывная точка.
Эта теорема верна не только для круга , а для любого выпуклого орранченного множества, содержащого своего границу, например для прямого угольника, треугольника или вообщевыпуклого многоугольника на плоскости, для куба или шара в пространстве.
*) Л. Э. Я. Брауэр — голландский математик; до него теорему применял латышский математик П. Боль, и ее называют еще теоремой Боля — Брауэра.
8
Рис. 4.
Однако она справедлива не для всякого :
Упражнение 3. Указите пример ограниченного множества на плоскости и его непрерывного отображения в себя без неподвижной точки.
Упражнение 4*. Построите непрерывное отображение круга без границы в себя, не имеющее неподвижной точки.
Упражнение 5. Построите разрывное отображение круга (с границей в себя без неподвижной точки.
Мы не будем доказывать теорему Браузера в наиболее общей ситуации, а рассмотрим случай, когда — равносторонний треугольник. Для доказательства нам нужно потребовать цветные карандаши, но теперь уже три: красный, синний и зеленьй. (В пространстве потребовалось бы четыре!) Они будут нужны для доказательства одного вспомогательного утверждения, известного под названием
Лемма Шперера
На рисунке 4 показана «сеть» для лова точек в правильном треугольнике со стороны . Узлы отмечены кругжами, из каждой узла исходит 3 линии (ребра), соединяя его с соседними узлами. Ячейки сети — правильные шестиугольники со стороны . Стороны треугольника разделены на равных частей, точки деления — центры граничных ячеек. и — общее число ячеек.
Каждая внутренняя вершина принадлежит тем, а граничная — двумя ячеекам.
Пометим теперь числом 1 все ячеек, кроме последней одной стороны, числом 2 — ячеек второй, числом 3 — ячеек третьей (рис. 4). Оставшиеся (внутренние) ячеки помещим числам 1, 2, 3 совершенно произвольно. Раскрасием ячеки типа 1, 2 и 3 в зеленьй, синий и красный цвет соответственно. Назовем вершину полной, если она содержится в ячейках всех трех цветов.
Лемма. Существует полная вершина*).
Доказательство. Строим шаг за шагом ломанную, составляя ее из ребер «типа 1—2», примыкающих к ячейкам с числам 1 и 2. Начнем с края, где по условию есть лишь одно такое «двухцветное» ребро , и за конечное число шагов приходим к полной вершине: если ребро типа 1—2 , , привело нас к неполной вершине , то найдется еще одно ребро типа 1—2, исходящие из узла (рис. 5), оно дает вершину . Этот путь, очевидно, не возвращается ни на край, ни к проиденным вершинам (почему?). Так как множество вершин конечно, то ломаная обязаательно закончится в полной вершине.
Лебедь, рак да шука
Доказем теперь теорему Браузера для случая, когда — правильный
*) Эта лемма лишь частичный случай знаментий леммы, принадлежащей немецком математику Шпереру.
Рис. 5.
9
треугольник (рис. 4). Пометим точку числом 1, — числом 2, — 3 и запишем эти числа в соответствующих трех ячейках. Далее, в ячейках с центрами на стороне пишем 1, на — 2; на — 3. Каждый внутренней точке ставим в соответствие метку — одно из чисел 1, 2, 3 — по следующему правилу: число 1, если расстояние от точки до стороны не больше, чем расстояние от точки до (точка не «снижается» при отображении ); если этого нет, то число 2, когда точка не приближается к (расстояние от до не больше расстояния от до ); в остальных случаях берем 3 — при этом точка удаляется от стороны (см. на рисунке 4 области для , которые отвечают метки 1, 2, 3). Запишем в каждую внутреннюю точку метку ее центра. По лемме Шпернана найдем полную вершину и вспомним значения басно Крылова:
…Лебедь рвется в облака,
Рак пятится назад,
а циука тянет в воду —
Да только воз и ныне там!
Мы как раз ищем неподвижную точку: подобие этого воз из басни составляют ячейки с чисlami 1, 2, 3, связанные с полной вершиной . (Эта вершина «почти неподвижна» — при достаточно малом она мало приближается к , к и к , т. е. мало двигается.)
Возьем теперь последовательность чисел , …, стремяшихся к нулю, и для каждой найдем свою полную вершину . Получим последовательность точек
Первый случай. Если эта последовательность сходится*) к точке , то — неподвижная точка данного отображения. (Ее неподвижность следует из того, что не приближается ни к одной из трех сторон треугольника.)
Упражнение 6. Докажите неподвижность точки .
Второй случай. Если последовательность , … не сходится, то можно подобрать последовательность номеров так, чтобы последовательность точек
сходилась к некоторой точке .
Упражнение 7. Докажите существование такой последовательности номеров и неподвижность точки .
Развитие метода неподвижных точек
Теорема Браузера, которое мы доказали для отрезка и для треугольника, обобщается не только на трехмерное пространство (как было указано выше), но и на «пространство любого числа измерений». Более того, пользователь математик Ю. Шаудер обобщил ее на случай «бесконечномерных» пространств. Дальнейшее развитие этого направление получило в работе академика А. Н. Тихонова. Полский математик С. Банах доказал важную теорему о скатии пространств, обогатившую метод неподвижных точек. В последнее время построения, подобные рисунку 4, применяются для счета на ЭВМ приближении к неподвижным точкам и для решения многохлizких задач.
Упражнения
-
Применяя теорему Браузера (для отрезка) показать, что следующее уравнение имеет решение: а) ; б) .
-
Отображение , где , на отрезке имеет неподвижную точку. Докажать это по теореме Браузера, а также решая систему .
-
Показать, что система
иметет решение.
- Исследовать систему
на существование ненулевого решения (по теореме Браузера). Решить ее элементарными средствами.