不动点定理研究

1、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21927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

2、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0,10,1中，则有00,1x，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

3、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

4、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-FG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

5、局部凸拓扑线性空间,C为X中非空紧凸集,F:C2X具非空闭凸值且上半连续.记(C)=xC|存在X的有限维线性子空间E,使得x属于CE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:角谷静夫（1911年8月28日 - 2004年8月17日 ），日本著名数学家。耶鲁大学教授。毕业于东北帝国大学理学部数学科。大阪府出生。1941年发表了不动点定理。角谷的不动点定理将布劳威尔的不动点定理一般化。在经济学和博弈论中，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

6、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

7、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，MF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(x),映射到A时,使得x=(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Rn中的一紧致凸集, 为将A映射到A的一连续函数，则在A中

8、至少存在一点x，使得x=（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xA ，(x)为A的一子集。若(x)具有性质：对A上的任一收敛序列xix0，若yi(xi)且yiy0，则有y0(x0),如此的(x)称为在A上半连续，角谷静夫定理：设A为Rn中的一紧致凸集，对于任何xA，若(x)为A的一非空凸集，且(x)在A上为上半连续，则必存在xA,使x(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(x)=0必有一根，只须证明在适当大的圆xR 内函

9、数(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(x)gi(x)0，i=1,2,m，在此,和g1,g2,gm皆为Rn中的凸函数。通过适当定义一个函数,可以证明：若上述问题的可行区域非空，则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

10、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Sn为例来说明这一概念，在此,。对每一i, 将区间0xi1依次分为m1,m2等分，m1m20。由著名的施佩纳引理,在Gi中必存在一三角形i，它的n+1个顶点yi(k)的标号分别为k(k=1,2,n+1)于是可得一列正数ij(j),使得(k)yk,k=1,2,n+1。根据i的作法，当ij时,收敛成一个点x。故yk=x,k=1,2,n+1。因 (k)的标号为k,故ykCk,因而即x为所求的不动点。因此,求(x):SnSn 的不动点问题就化为求 i(i=1,2,) 的问题。为

11、了计算上的效果，除了上述的标号法之外，还有标准整数标号法、向量标号法等等。关于如何求i，有变维算法、三明治法、同伦算法、变维重始法等等，通过适当定义,可将上之Sn改为Rn或Rn中之一凸集。求一凸函数在一凸集上的极值问题也可化为求不动点问题。一般说来，这条途径适用于维数不高但问题中出现的函数较为复杂的情况。 参考书目 A.J.J.TalmanVariable Dimension Fixed Point Algorithms and Triangulations, Mathematisch Centrum, Amsterdam, 1980.二、Prof. Yuguang Xu (徐裕光 教授)（

12、Kunming University, China (雲南省昆明學院)）Fixed point theory and its applications（在台湾成功大学所作的报告）不动点理论研究的内容属于数学的非线性泛函分析和一般拓扑学范畴。研究出的结果被广泛应用于分析数学，力学，微分方程，控制理论，最优化理论，非线性规划，数理经济学和博弈论等应用性学科。(一)不动点理论的发展进程 一个简单的不动点问题（微积分中）； 1909 年， Brouwer 的著名的 不动点定理 及一系列的论文创立了不动点理论； 1922 年 , 波兰著名数学家 S. Banach 给出了一个既简单又实用的 压缩映射原理

13、， 它也是一个不动点定理。在简单的条件下， Banach 压缩映射原理不仅指出了映射不动点的存在性和唯一性，还提供了一种逼近不动点的方法； 1967 年，美国数学家 H. E. Scarf 找到了计算单纯形连续映射不动点的组合拓扑有限算法，这也就是 Brouwer 不动点定理的构造性证明； 1941 年，日本数学家角谷静夫（ Kakutani ）的集值不动点定理为博弈论建立在数学基础上作了理论准备； 1968 年的 Fan Browder 不动点定理， 1972 年的 Himmelberg 不动点定理以及 Tarafdar 在 1987 年和 1992 年分别在拓扑线性空间和 H 空间建立的不

14、动点定理； 美国数学家 Michael （ 1956 年）， Deutsch 和 Kenderov （ 1983 年），应用集值分析中的连续选择原理在拓扑空间建立集值不动点定理和几乎不动点定理； 1990 年以后，关于不动点理论的研究达到一个高潮，在各种映射或空间条件下，讨论不动点，随机不动点，几乎不动点等，每年有上百篇论文发表，新的不动点定理和各种迭代逼近方法不断涌现。(二)不动点理论的四个研究方向1、 在拓扑空间研究“不动点性质”（使用同伦群），不动点的有限算法（组合拓扑）；2 、丹麦数学家 Nielsen 研究不动点的个数（ Nielsen 数），开创不动点类理论的研究，大陆数学家的工作

15、；3、一般度量空间或拓扑向量空间的连续映射的不动点问题不动点的存在性问题研究映射的连续性，紧性，空间的紧性，凸性，单值或集值不动点的迭代逼近问题研究多种迭代方法，收敛性（强，弱），收敛速度，误差分析，稳定性4、应用集值分析中的连续选择原理在拓扑空间建立集值不动点定理和几乎不动点定理并应用于博弈论研究。(三) 不动点理论主流方向的研究现状，及研究前沿期待解决的问题“ 一般度量空间或拓扑向量空间映射的不动点问题”是研究的主流。近 20 年来的研究发展主线： 迭代逼近算法的研究（从 Mann 迭代到杂交迭代等）； 强伪压缩映射的不动点，强增生算子方程的迭代解（两者的联系）； 迭代误差分析和稳定性研究

16、； 有待解决的几个问题（一般情况下的收敛性问题， 迭代收敛的等价性问题，不动点存在性和迭代逼近的条件的协调性问题，关于 Schauder 猜想）。其次为“应用连续选择原理建立集值不动点定理和几乎不动点定理”的研究。现有的最好结果和需要解决的问题：a ） 上（下）半连续集值映射与其不动点存在性的拓扑同伦关系；b) 具备弱于上（下）半连续性的集值映射与其不动点的存在唯一性的充要条件；c) 探索几乎均衡解与几乎不动点存在性的关系。三、维基百科中关于Kakutani fixed point theorem/wiki/Kakutani_fixed_point_

17、theorem应用领域之一：博弈论Mathematician John Nash used the Kakutani fixed point theorem to prove a major result in game theory. Stated informally, the theorem implies the existence of a Nash equilibrium in every finite game with mixed strategies for any number of players. This work would later earn him a Nob

18、el Prize in Economics.In this case, S is the set of tuples of mixed strategies chosen by each player in a game. The function (x) gives a new tuple where each players strategy is her best response to other players strategies in x. Since there may be a number of responses which are equally good, is set-valued rather than single-valued. Then the Nash equilibrium of the game is defined as a fixed point of , i.e. a tuple of strategies where each players strategy is a best response to the strategies of the other players. Kakutanis theorem ensures that this fixed point exists.翻译：数学家约翰.纳什应用角谷静