实分析

17.6 压缩映射定理 ​

定义 ​

  1. (17.6.1 压缩)设(X,d)是一个度量空间,并设f:X→X是一个映射。如果对于所有的x,y∈X都有d(f(x),f(y))≤d(x,y),那么我们称f是一个压缩映射。如果存在一个常数0<c<1,使得对于所有的x,y∈X都有d(f(x),f(y))≤cd(x,y),那么我们称f是一个严格压缩映射,c被称为f的压缩常数。

    (注:这节是为了反函数定理做铺垫的,因此如果只是为了研究多元微积分那么本节只有引理17.6.6是重要的内容,但是压缩映射定理本身作为不动点定理的例子也有足够的研究价值;关于压缩映射的例子,本节习题与原书中都给出了一些例子)

  2. (17.6.3 不动点)设f:X→X是一个映射,并设x∈X。如果f(x)=x,则我们称x是f的不动点。


命题 ​

  1. (17.6.4 压缩映射定理)设(X,d)是一个度量空间,并设f:X→X是一个严格压缩映射,那么f最多有一个不动点。另外,如果假设X是一个非空的完备空间,那么f恰好有一个不动点。

    (注:压缩映射定理是不动点定理的一个例子)

  2. (17.6.6)设B(0,r)是Rn中以原点为中心的球,并设g:B(0,r)→Rn是一个映射,它使得g(0)=0,并且对于所有的x,y∈B(0,r)都有:

    ‖g(x)−g(y)‖≤12‖x−y‖

    那么定义为f(x):=x+g(x)的函数g:B(0,r)→Rn是一对一的,并且f的像包含了球B(0,r/2)。


课后习题 ​

17.6.1 设f:[a,b]→R是一元可微函数,并且使得对于所有的x∈[a,b]都有|f′(x)|≤1,证明:f是压缩映射(提示:利用平均值定理,即推论10.2.9)。另外,证明:如果对于所有的x∈[a,b]都有|f′(x)|<1且f′是连续的,那么f是一个严格压缩映射 ​

由于f是可微的,因此对于任意的x,y∈[a,b]满足x<y,应用平均值定理我们有:

∃ξ∈(x,y),f(x)−f(y)x−y=f′(ξ)⟹|f(x)−f(y)|=|f′(ξ)||x−y|

若有对于所有的x∈[a,b]都有|f′(x)|≤1,则上式表明|f(x)−f(y)|≤|x−y|,即f是一个压缩映射。

若对于所有的x∈[a,b]都有|f′(x)|<1且f′连续,则根据最大值原理(命题9.6.7)我们知道分别存在xmax,xmin∈[a,b]使得f′达到最大值与最小值,再结合对于所有的x∈[a,b]都有|f′(x)|<1于是有:

∀ξ∈[a,b],−1<f′(xmin)≤f′(ξ)≤f′(xmax)<1⟹|f′(ξ)|≤max(|f′(xmax)|,|f′(xmin)|)<1

从而上面的结论可以引申为f是一个压缩系数为max(|f′(xmax)|,|f′(xmin)|)的严格压缩映射。

(x=y的情形不需要讨论,此情况下结论是平凡的)

17.6.2 证明:如果f:[a,b]→R是一个可微的压缩映射,那么|f′(x)|≤1对所有的x∈[a,b]都成立 ​

考虑任意的x0∈[a,b],由于f在x0处可微,因此由牛顿逼近法(命题10.1.7)对任意ε>0存在δ>0使得对任意的|x−x0|<δ都有:

0≤|f(x)−f(x0)−f′(x0)(x−x0)|≤ε|x−x0|

于是利用三角不等式,我们有:

|f′(x0)||x−x0|≤|f(x)−f(x0)|≤(|f′(x0)|+ε)|x−x0|

再结合f是一个压缩映射,因此有:

|f′(x0)||x−x0|≤|f(x)−f(x0)|≤|x−x0|⟹|f′(x0)|≤1

于是结论得证。

17.6.3 给出函数f:[a,b]→R的一个例子,使得f是连续可微的函数,并且对于所有不同的x,y∈[a,b]都有|f(x)−f(y)|<|x−y|,但是同时在[a,b]中至少存在一个x使得|f′(x)|=1 ​

考虑函数f:[0,1]→R有:

f(x):=12x2

显然,对于任意的x,y∈[0,1]满足x≠y有:

|f(x)−f(y)|=12|x2−y2|≤12|x−y||x+y|<|x−y|

(注意到x≠y时有0<x+y<2)

但是在x=1处,我们可以求导有|f′(x)|=1。f就是题目要求的函数。

17.6.4 给出函数f:[a,b]→R的一个例子,使得f是一个严格压缩映射,但是同时在[a,b]中至少存在一个x使得f在x处不可微 ​

考虑函数f:[−1,1]→R有:

f(x):=12|x|

显然,对于任意的x,y∈[−1,1]:

|f(x)−f(y)|=12||x|−|y||≤12|x−y|

(注意到|x|≤|x−y|+|y|⟺|x|−|y|≤|x−y|)

但是在x=0处f是不可微的。f就是题目要求的函数。

17.6.5 验证例17.6.2中的结论 ​

例17.6.2内容如下:

定义为f(x):=x+1的映射f:R→R是一个压缩映射,但它不是严格压缩映射。定义为f(x):=x/2的映射f:R→R是一个严格压缩映射。定义为f(x):=x−x2的映射f:[0,1]→[0,1]是一个压缩映射,但不是严格压缩映射。


我们分别验证这三个函数的性质。

  1. f(x):=x+1:

    对任意的x,y∈R,我们有:

    |f(x)−f(y)|=|x+1−y−1|=|x−y|≤|x−y|

    于是f:R→R是一个压缩映射。

  2. f(x):=x/2:

    对任意的x,y∈R,我们有:

    |f(x)−f(y)|=|x/2−y/2|=|x−y|/2≤12|x−y|

    于是f:R→R是一个严格压缩映射。

  3. f(x):=x−x2:

    对任意的x,y∈[0,1],我们有:

    |f(x)−f(y)|=|x−x2−y+y2|=|x−y||1−x−y|

    注意到由于x,y∈[0,1]因此有|1−x−y|∈[0,1],从而上式即有|f(x)−f(y)|≤|x−y|,于是f:R→R是一个压缩映射。

综上,结论得证。

17.6.6 证明:定义在度量空间X上的每一个压缩映射都是连续的 ​

设X具有度量d,并设f:X→X是一个压缩映射,然后考虑任意的x0∈X。对任意的ε>0,我们令δ:=ε,从而对任意的x∈X满足d(x,x0)<δ,我们有:

d(f(x),f(x0))≤d(x,x0)<ε

也即f在x0处连续,从而我们证明了f是X上的连续函数。

17.6.7 证明定理17.6.4(提示:利用反证法来证明最多有一个不动点。为了证明至少有一个不动点,任取一点x0∈X,递归地定义x1=f(x0),x2=f(x1),...,然后利用归纳法证明d(xn+1,xn)≤cnd(x1,x0)(利用引理7.3.3的几何级数公式),进而利用完备空间的性质证明这个序列的极限就是f的不动点) ​

我们先证明严格压缩映射f:X→X(其压缩常数为c)至多存在一个不动点。

使用反证法,我们设f同时存在两个不同的不动点x0,x1,则我们有:

d(x0,x1)=d(f(x0),f(x1))≤cd(x0,x1)<d(x0,x1)

与f是一个严格压缩映射的前提存在矛盾,因此f至多只能存在一个不动点。


然后我们再来证明当X是一个非空完备空间时f至少存在一个不动点(从而结合前面的结论即f恰有一个不动点)。考虑某个x0∈X,如果x0就是f的不动点则我们完成了我们的寻找;如果x0不是f的不动点,则我们递归地定义序列(xn)n=0∞有:

∀n≥0,xn+1:=f(xn)

然后我们可以注意到一个显然的结论:对任意的n≥0都有d(xn+1,xn)≤cnd(x0,x1) 这是因为:

使用归纳法证明。n=0的情况显然成立,于是归纳地假设n=a时成立结论,对n=a+1的情况,结合归纳假设我们有:

d(xa+2,xa+1)=d(f(xa+1),f(xa))≤cd(xa+1,xa)≤ca+1d(x0,x1)

(最后一个≤用到了归纳假设)

于是对n=a+1的情况也成立结论,综合即有归纳得证。

从而我们不妨令有l:=d(x0,x1)。此时对任意的ε>0,我们令有N是使得cNl<ε(1−c)成立的最小自然数(由于n→∞时cn收敛于0,因此这样的自然数肯定是存在的),然后讨论任意的i,j≥N(不妨设i≤j),根据三角不等式与几何级数公式有:

d(xi,xj)≤∑k=ij−1d(xk,xk+1)≤∑k=N∞d(xk,xk+1)≤∑k=N∞ckl=cNl1−c<ε

这表明(xn)n=0∞是X中的一个柯西序列,从而由于X是完备的因此(xn)n=0∞应当收敛于某个x∈X。注意到在习题17.6.6中我们证明了f的连续性,因此根据命题13.1.4我们有:

f(x)=limn→∞f(xn)=limn→∞xn+1=x

综上我们证明了至少存在一个x∈X满足f(x)=x(即x是f的不动点),证明完毕。

17.6.8 设(X,d)是一个完备度量空间,并设f:X→X和g:X→X是X上的两个严格压缩映射,它们的压缩常数分别是c和c′。由定理17.6.4可知,f有某个不动点x0且g有某个不动点y0。假设存在一个ε>0使得对于所有的x∈X都有d(f(x),g(x))≤ε(也即f和g的一致度量不超过ε),然后证明:d(x0,y0)≤ε/(1−min(c,c′))。这个结论表明相近的压缩映射具有相近的不动点 ​

我们可以从两个方面考虑应用度量的三角不等式。

一方面,考虑g(x0)参与三角不等式,此时我们有:

d(x0,y0)≤d(x0,g(x0))+d(g(x0),y0)

考虑不动点的性质。由于x0同时也是f(x0),因此由f,g的性质我们有d(x0,g(x0))≤ε;由于y0同时也是g(y0),因此由严格压缩映射的性质我们有d(g(x0),y0)≤c′d(x0,y0)。于是上面的不等式可以化为:

d(x0,y0)≤ε+c′d(x0,y0)⟺(1−c′)d(x0,y0)≤ε

另一方面,考虑f(y0)参与三角不等式,此时我们有:

d(x0,y0)≤d(x0,f(y0))+d(f(y0),y0)

同样考虑不动点的性质。由于x0同时也是f(x0),因此由严格压缩映射的性质我们有d(x0,f(y0))≤cd(x0,y0);由于y0同时也是g(y0),因此由f,g的性质我们有d(f(y0),y0)≤ε。于是上面的不等式可以化为:

d(x0,y0)≤cd(x0,y0)+ε⟺(1−c)d(x0,y0)≤ε

综合上面两个不等式,于是我们得到了一个新的不等式:

max(1−c′,1−c)d(x0,y0)≤ε⟺d(x0,y0)≤εmax(1−c′,1−c)

最后再注意到:

max(1−c′,1−c)=1+max(−c′,−c)=1−min(c,c′)

综上从而我们证明了必然有d(x0,y0)≤ε1−min(c,c′),证明完毕。


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实分析 10.2 局部最大值、局部最小值以及导数