不动点(被这个函数映射到其自身一个点)

不动点,是一个函数术语,在数学中是指“被这个函数映射到其自身一个点”。

用图像的话来说,不动点意味着点(x,f(x))在直线y = x上,或者换句话说,函数f(x)的图像与那根直线有共点。第一步:X1=2.0+[5/(2.0^2-2.0]1/3=1.7.。第二步:X2=1.7+[5/(1.7^2-1.7]1/3=1.71.。这种方法可以自动调节,第一步与第三步取值偏大,但是计算出来以后输出值会自动转小;第二步,第四步输入值偏小,输出值自动转大。对于某些特定形式的数列递推式可用不动点法来求。

举例

取一个浅盒和一张纸,纸恰好盖住盒内的底面。可想而知此时纸上的每个点与正在它下面的盒底上的那些点配成对。把这张纸拿起来,随机地揉成一个小球,再把小球扔进盒里。拓扑学家已经证明,不管小球是怎样揉成的,也不管它落在盒底的什么地方,在揉成小球的纸上至少有一个这样的点,它恰好处在它盒底原来配对点的正上方。

通过具体找到这个点,就能说明这个问题了。

纸被揉成球以后,看它现在投到纸盒底部的影子。纸盒底部的影子区域肯定比纸盒底要小。那么,就取【纸盒底部的在影子内的那个部分】,它肯定对应于纸团里面的某一小团部分。(因为整个底板对应于整个纸团,那么地板的一部分就肯定对应于一部分纸团)

假如去掉纸团的其他部分,那一小团部分同样可以在纸盒底面投影,而且投影肯定比刚才的大投影小,而且在它之内。(因为它是在整个纸团之内)。那么,取这一小片投影(注意这片影子肯定是连续的不会断开,因为纸没有撕裂),当它再往纸团里对应的时候,肯定对应于其中更小的一团。我们再次把多馀的纸去掉。

就是说:

整个纸盒对应于纸团

纸盒【在纸团投影内的部分】对应于纸团内的一小块

纸盒【一小块的投影的部分】对应于刚才那一小块内的更小一块

纸盒【更小块投影的部分】对应于更小块中的更更小一块

…………………………

不断地去掉纸无限次,最后纸团只剩下了一个点,它的投影就对应于纸盒的一个点。

函数

例如,定义在实数上的函数f,

f(x) = x^2 – 3x + 4,

则2是函数f的一个不动点,因为f(2) = 2。

也不是每一个函数都具有不动点。例如f(x) = x + 1就没有不动点。因为对于任意的实数,x永远不会等于x + 1。用图像的话来说,不动点意味着点(x,f(x))在直线y = x上,或者换句话说,函数f(x)的图像与那根直线有共点。这个例子的情况是,这个函数的图像与那根直线是一对平行线。

应用

1 利用f(x)的不动点解方程(牛顿切线法)

2 利用f(x)的不动点求函数或多项式的解析式

3 利用f(x)的不动点讨论n-周期点问题

4 求解数列问题(求解一阶递归数列的通项公式)

5 求解一阶递归数列的极限

这是利用不动点开立方(牛顿切线法)的例子

开方:

公式:X(n+1)=Xn+(A/Xn^2-Xn)1/3设A=5,开3次方

5介于1^3至2^3之间(1的3次方=1,2的3次方=8)

X_0可以取1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0都可以。例如我们取2.0.按照公式:

第一步:X1={2.0+[5/(2.0^2-2.0]1/3=1.7.}。即5/2×2=1.25,1.25-2=-0.75,0.75×1/3=0.25,输入值大于输出值,负反馈

2-0.25=1.75,取2位数值,即1.7。

第二步:X2={1.7+[5/(1.7^2-1.7]1/3=1.71}.。

即5/1.7×1.7=1.73010,1.73-1.7=0.03,0.03×1/3=0.01,输入值小于输出值正反馈

1.7+0.01=1.71。取3位数,比前面多取一位数。

第三步:X3={1.71+[5/(1.71^2-1.71]1/3=1.709}输入值大于输出值,负反馈

第四步:X4={1.709+[5/(1.709^2-1.709]1/3=1.7099}.输入值小于输出值正反馈

这种方法可以自动调节,第一步与第三步取值偏大,但是计算出来以后输出值会自动转小;第二步,第四步输入值偏小,输出值自动转大。X_4=1.7099.

当然也可以取1.1,1.2,1.3,。。。1.8,1.9中的任何一个。

定理

在数学的不同部分有很多定理保证函数、在一定的条件下,必定有一个或者更多的不动点。这些在最基本的定性结果当中,那些普遍性应用的不动点定理是非常具有价值的洞察。

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