#14Compacidad

2025 - Teórica 14 - Punto fijo

34 min de lectura

Tue-20-05-2025 18:08 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags:Compacidad


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea f:MM. xM es un punto fijo si f(x)=x \begin{array}{l} \text{Sea $f:M\to M.$ $x \in M$ es un punto fijo si $f(x)=x$ } \end{array}

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Si f:[0,1][0,1] continua     f tiene al menos un punto fijo.\begin{array}{l} \text{Si $f:[0,1] \to[0,1]$ continua $\implies f$ tiene al menos un punto fijo.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea g(x)=f(x)xg(x)=f(x)-x
gg cumple hipótesis de Bolzano.

g(0)=f(0)0g(1)=f(1)10\begin{array}{c} g(0)=f(0)\geq 0 \\ g(1)=f(1)-1\leq 0 \end{array}

gg es continua     \implies por Bolzano:

x0[0,1]g(x0)=0    f(x0)=x0\:\exists\:x_{0}\in[0,1]\bigm| g(x_{0})=0\implies f(x_{0})=x_{0}

[!infobox] Teorema: Punto Fijo (Caso Unidimensional) Contexto: Análisis Real / Funciones Continuas. Enunciado: Sea f:[0,1][0,1]f: [0,1] \to [0,1] una función continua. Entonces existe al menos un punto c[0,1]c \in [0,1] tal que f(c)=cf(c) = c. Clave: Se define una función auxiliar g(x)=f(x)xg(x) = f(x) - x y se aplica el Teorema de Bolzano (Valor Intermedio).

Demostración Formal

Definimos la función auxiliar g:[0,1]Rg: [0,1] \to \mathbb{R} dada por:

g(x)=f(x)xg(x) = f(x) - x

1. Continuidad de la función auxiliar La función ff es continua por hipótesis y la función identidad id(x)=xid(x)=x es continua (polinomio). Dado que la resta de funciones continuas es continua, gg es continua en el intervalo cerrado [0,1][0,1].

2. Evaluación en los extremos Analizamos el signo de gg en los bordes del intervalo, utilizando la hipótesis de que la imagen de ff está contenida en [0,1][0,1] (es decir, 0f(x)10 \leq f(x) \leq 1 para todo xx):

  • En x=0x=0:
g(0)=f(0)0=f(0)g(0) = f(0) - 0 = f(0)
Como $f(0) \in [0,1]$, entonces $f(0) \geq 0$. Por lo tanto, **$g(0) \geq 0$**.
  • En x=1x=1:
g(1)=f(1)1g(1) = f(1) - 1
Como $f(1) \in [0,1]$, entonces $f(1) \leq 1$, lo que implica $f(1) - 1 \leq 0$. Por lo tanto, **$g(1) \leq 0$**.

3. Aplicación del Teorema de Bolzano Tenemos una función continua gg definida en un intervalo cerrado tal que g(0)0g(0) \geq 0 y g(1)0g(1) \leq 0. Consideramos dos casos:

  • Caso A: Si g(0)=0g(0)=0 o g(1)=0g(1)=0, entonces x=0x=0 o x=1x=1 son puntos fijos triviales y el teorema se cumple.
  • Caso B: Si g(0)>0g(0) > 0 y g(1)<0g(1) < 0, hay un cambio estricto de signo. Por el Teorema de Bolzano (Teorema del Valor Intermedio), existe al menos un c(0,1)c \in (0,1) tal que g(c)=0g(c) = 0.

4. Conclusión En cualquier caso, existe c[0,1]c \in [0,1] tal que:

g(c)=0    f(c)c=0    f(c)=cg(c) = 0 \iff f(c) - c = 0 \iff f(c) = c

Por lo tanto, cc es un punto fijo de ff. \blacksquare


Obs:Obs:

Sea f:MMf:M\to M continua, x0Mx_{0} \in M Defino la sucesión:

xn+1=f(xn)n1x_{n+1}=f(x_{n})\quad \forall n\geq 1 (xn)nNM( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M

Supongamos que xnxx_{n}\longrightarrow x Como ff continua, entonces:

f(xn)f(x)f(x_{n})\longrightarrow f(x)

Pero por definición de mi sucesión tengo que

xn+1=f(xn)x_{n+1}=f(x_{n})

Luego

xn+1f(x)x_{n+1}\longrightarrow f(x)     f(x)=x\implies f(x)=x

[!infobox] Proposición: Convergencia a un Punto Fijo Contexto: Espacios Métricos / Análisis Numérico. Enunciado: Sea (M,d)(M, d) un espacio métrico y f:MMf: M \to M una función continua. Sea (xn)nN(x_n)_{n \in \mathbb{N}} la sucesión definida iterativamente por xn+1=f(xn)x_{n+1} = f(x_n) con x0Mx_0 \in M. Si la sucesión converge a un punto xMx \in M, entonces xx es un punto fijo de ff (es decir, f(x)=xf(x) = x). Advertencia: Esto no garantiza que la sucesión converja. Solo dice que SI converge, el límite es un punto fijo. (Para garantizar convergencia se requiere que ff sea una contracción - Teorema de Banach).

Demostración Formal

1. Definición de la sucesión Sea la sucesión definida por la recurrencia:

xn+1=f(xn)n0x_{n+1} = f(x_n) \quad \forall n \geq 0

2. Hipótesis de Convergencia Supongamos que la sucesión converge a un punto xMx \in M:

limnxn=x\lim_{n \to \infty} x_n = x

Esto implica que cualquier subsucesión o desplazamiento de índice también converge al mismo límite. En particular, la sucesión desplazada (xn+1)(x_{n+1}) cumple:

limnxn+1=x()\lim_{n \to \infty} x_{n+1} = x \quad (*)

3. Aplicación de la Continuidad Dado que ff es continua en xx, el límite de la imagen es la imagen del límite (caracterización secuencial de la continuidad):

limnf(xn)=f(limnxn)=f(x)\lim_{n \to \infty} f(x_n) = f\left(\lim_{n \to \infty} x_n\right) = f(x)

Por la definición de la sucesión, sabemos que f(xn)=xn+1f(x_n) = x_{n+1}. Sustituyendo esto en el límite anterior:

limnxn+1=f(x)()\lim_{n \to \infty} x_{n+1} = f(x) \quad (**)

4. Conclusión (Unicidad del Límite) En un espacio métrico, el límite de una sucesión es único. Igualando los resultados ()(*) y ()(**):

x=f(x)x = f(x)

Por lo tanto, xx es un punto fijo de ff. \blacksquare


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea f:MN, se dice que es una contraccioˊn si 0<c<1 tal qued(f(x),f(y))<cd(x,y)x,yM \begin{array}{l} \text{Sea $f:M\to N$, se dice que es una contracción si $\:\exists\:0<c<1$ tal que}\\ \text{$d(f(x),f(y))<c\cdot d(x,y)\quad\forall x,y \in M$ } \end{array}

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

f:MM una contraccioˊn y M completo. Entonces f tiene un uˊnico punto fijo.\begin{array}{l} \text{$f:M\to M$ una contracción y $M$ completo. Entonces $f$ tiene un único punto fijo.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Sea x0M.x_{0}\in M. Defino xn=f(xn1),n1x_{n}=f(x_{n-1}),n\geq 1 . Notar que (xn)M(x_{n})\subseteq M Quiero ver que xnxMx_{n}\longrightarrow x \in M Como MM es completo, basta ver que es de Cauchy.

d(x1,x0)=d(f(x0),x0)d(x2,x1)=d(f(x1),f(x0))cd(x1,x0)=cd(f(x1),x0)\begin{array}{c} d(x_{1},x_{0})=d(f(x_{0}),x_{0}) \\ d(x_{2},x_{1})=d(f(x_{1}),f(x_{0}))\leq c\cdot d(x_{1},x_{0})=c\cdot d(f(x_{1}),x_{0}) \end{array}

De esta manera entonces:

Sea m,nM.m,n \in M. Supongo m=n+km=n+k Luego

d(xm,xn)d(xm,xm+1)cm1d(f(x0),x0)++d(xn+1,xn)cnd(f(x0),x0)d(x_{m},x_{n})\leq \underbrace{ d(x_{m},x_{m+1}) }_{ \leq c^{m-1}\cdot d(f(x_{0}),x_{0}) }+\dots+\underbrace{ d(x_{n+1},x_{n}) }_{ \leq c^{n}\cdot d(f(x_{0}),x_{0}) }

que sacando factor común tengo

d(f(x0),x0)(cn+cn+1++cm1)\leq d(f(x_{0}),x_{0})\cdot(c^{n} +c^{n+1} +\dots+c^{m-1} ) =d(f(x0),x0)cn(1+c+c2++ck1)=d(f(x_{0}),x_{0})\cdot c^{n} \cdot(1+c+c^{2} +\dots+c^{k-1} )

aparece una seri geométrica

1+c++ck1=i=0k1cii=0ci=11c1+c+\dots+c^{k-1} =\sum_{i=0}^{k-1} c^{i} \leq \sum_{i=0}^{\infty} c^{i} =\frac{1}{1-c}

Finalmente

d(xm,xn)cn1cd(f(x0),x0)d(x_{m},x_{n})\leq \frac{c^{n} }{1-c}\cdot d(f(x_{0}),x_{0})

Así, sea E>0\mathcal{E}>0, sea n0Nn_{0}\in \mathbb{N} tal que

cn1cd(f(x0),x0)<Enn0\frac{c^{n} }{1-c}\cdot d(f(x_{0}),x_{0})<\mathcal{E}\quad \forall n\geq n_{0}

puede porque cn1c0\frac{c^{n}}{1-c}\longrightarrow 0 Si m,nn0m,n\geq n_{0}

d(xm,xn)<Ed(x_{m},x_{n})<\mathcal{E}

Como MM es completo xnxx_{n}\longrightarrow x y xx punto fijo. Por otro lado teníamos que f(xn)f(x)f(x_{n})\longrightarrow f(x) pues ff continua. Y como xn+1=f(xn)x_{n+1}=f(x_{n}) entonces f(x)=xf(x)=x

Veamos unicidad, supongamos que yx,f(y)=y\:\exists\:y\neq x,f(y)=y

d(y,x)=d(f(y),f(x))cd(y,x)<d(y,x)d(y,x)=d(f(y),f(x))\leq c\cdot d(y,x)<d(y,x)

Absurdo, por lo tanto xx es punto fijo.


[!infobox] Teorema: Punto Fijo de Banach Contexto: Espacios Métricos Completos / Ecuaciones Diferenciales. Enunciado: Sea (M,d)(M, d) un espacio métrico completo y f:MMf: M \to M una contracción (es decir, existe 0c<10 \le c < 1 tal que d(f(x),f(y))cd(x,y)d(f(x), f(y)) \le c \cdot d(x,y) para todo x,yMx,y \in M). Entonces ff tiene un único punto fijo xMx^* \in M. Clave: Se construye una sucesión iterativa (de Cauchy) cuyas distancias están acotadas por una serie geométrica convergente.

Demostración Formal

Parte A: Existencia

1. Construcción de la sucesión Sea x0Mx_0 \in M un punto arbitrario. Definimos la sucesión iterativa:

xn=f(xn1)n1x_{n} = f(x_{n-1}) \quad \forall n \geq 1

2. Acotación de pasos consecutivos (Inducción) Evaluamos la distancia entre dos términos consecutivos:

d(xn+1,xn)=d(f(xn),f(xn1))cd(xn,xn1)d(x_{n+1}, x_n) = d(f(x_n), f(x_{n-1})) \leq c \cdot d(x_n, x_{n-1})

Aplicando esto recursivamente nn veces, obtenemos:

d(xn+1,xn)cnd(x1,x0)()d(x_{n+1}, x_n) \leq c^n \cdot d(x_1, x_0) \quad (*)

3. Prueba de que es una sucesión de Cauchy Sean m,nNm, n \in \mathbb{N} con m>nm > n. Por la desigualdad triangular:

d(xn,xm)d(xn,xn+1)+d(xn+1,xn+2)++d(xm1,xm)d(x_n, x_m) \leq d(x_n, x_{n+1}) + d(x_{n+1}, x_{n+2}) + \dots + d(x_{m-1}, x_m)

Usando la cota ()(*) en cada término:

d(xn,xm)cnd(x1,x0)+cn+1d(x1,x0)++cm1d(x1,x0)d(x_n, x_m) \leq c^n d(x_1, x_0) + c^{n+1} d(x_1, x_0) + \dots + c^{m-1} d(x_1, x_0)

Sacando factor común cnd(x1,x0)c^n d(x_1, x_0):

d(xn,xm)cnd(x1,x0)(1+c+c2++cmn1)d(x_n, x_m) \leq c^n d(x_1, x_0) \left( 1 + c + c^2 + \dots + c^{m-n-1} \right)

La suma entre paréntesis es una suma parcial de una serie geométrica. Como c<1c < 1, podemos acotarla por la serie infinita:

k=0ck=11c\sum_{k=0}^{\infty} c^k = \frac{1}{1-c}

Por lo tanto:

d(xn,xm)cn1cd(x1,x0)d(x_n, x_m) \leq \frac{c^n}{1-c} d(x_1, x_0)

Dado que c<1c < 1, limncn=0\lim_{n \to \infty} c^n = 0. Esto implica que para nn suficientemente grande, d(xn,xm)d(x_n, x_m) se hace arbitrariamente pequeña. Luego, (xn)(x_n) es una sucesión de Cauchy.

4. Convergencia y Punto Fijo Como MM es un espacio métrico completo, la sucesión de Cauchy converge a un punto xMx^* \in M.

limnxn=x\lim_{n \to \infty} x_n = x^*

Toda contracción es una función continua. Usando la proposición de continuidad en sucesiones iterativas:

x=limnxn+1=limnf(xn)=f(limnxn)=f(x)x^* = \lim_{n \to \infty} x_{n+1} = \lim_{n \to \infty} f(x_n) = f(\underset{ n\to \infty }{ \lim } x_{n})=f(x^*)

Por lo tanto, xx^* es un punto fijo.


Parte B: Unicidad

Supongamos que existen dos puntos fijos x,yMx, y \in M (es decir, f(x)=xf(x)=x y f(y)=yf(y)=y). Evaluamos la distancia entre ellos:

d(x,y)=d(f(x),f(y))d(x, y) = d(f(x), f(y))

Por la condición de contracción:

d(f(x),f(y))cd(x,y)d(f(x), f(y)) \leq c \cdot d(x, y)

Entonces:

d(x,y)cd(x,y)d(x, y) \leq c \cdot d(x, y)

Si d(x,y)>0d(x, y) > 0, podemos dividir por esa distancia y obtenemos 1c1 \leq c, lo cual es absurdo ya que por hipótesis c<1c < 1. La única posibilidad es que d(x,y)=0d(x, y) = 0, lo que implica x=yx = y. \blacksquare


Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

Si f:MM tal que d(f(x),f(y))<d(x,y)x,yMM compacto      f tiene un uˊnico punto fijo.\begin{array}{l} \text{Si $f:M\to M$ tal que $d(f(x),f(y))<d(x,y)\quad\forall x,y \in M$}\\ \text{y $M$ compacto $\implies$ $f$ tiene un único punto fijo.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Sea

A={d(x,f(x)):xM}R0A=\{ d(x,f(x)):x \in M \}\subseteq R_{\geq 0}

AA\neq \emptyset y AA está acotado inferiormente. Entonces inf(A)\:\exists\:inf(A)

Sea i=inf(A).i=inf(A). Existe (xn)nNM( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M tal que

d(xn,f(xn))id(x_{n},f(x_{n}))\longrightarrow i

Como MM compacto     (xnk)MxnkxM\implies \:\exists\:(x_{n_{k}})\subseteq M\bigm|x_{n_{k}}\longrightarrow x \in M

    d(xnk,f(xnk))i\implies d(x_{n_{k}},f(x_{n_{k}}))\longrightarrow i

Luego aplico ff a xnkxx_{n_{k}}\longrightarrow x porque no puedo asegurar que (xn)(x_{n}) converge. Como ff continua:

f(xnk)f(x)f(x_{n_{k}})\longrightarrow f(x)     d(xnk,f(xnk))d(x,f(x)) TAREA, ver esto\implies d(x_{n_{k}},f(x_{n_{k}}))\longrightarrow d(x,f(x))\quad \text{ TAREA, ver esto}

    i=d(x,f(x))A    i=min(A)\implies i=d(x,f(x))\in A\implies i=min(A)

Veamos que i=0i=0. Supongamos que no d(x,f(x))>0    f(x)xd(x,f(x))>0\implies f(x)\neq x Sea y=f(x)xy=f(x)\neq x

d(y,f(y))=d(f(x),f(y))<d(x,y)=d(x,f(x))d(y,f(y))=d(f(x),f(y))<d(x,y)=d(x,f(x))

Pero min(A)=d(x,f(x))min(A)=d(x,f(x)) y d(y,f(y))Ad(y,f(y))\in A . Es decir, encontramos un elemento en AA que es más chico que el mínimo. Absurdo.     inf(A)=0\implies inf(A)=0 Por lo tanto xx es punto fijo pues d(x,f(x))=i=0=f(x)x    f(x)=xd(x,f(x))=i=0=|f(x)-x|\implies f(x)=x

Unicidad: Supongo yxy=f(y)\:\exists\:y\neq x\bigm|y=f(y)

d(y,x)=d(f(y),f(x))<d(y,x)d(y,x)=d(f(y),f(x))<d(y,x)

Absurdo.     x\implies x es el único punto fijo.

Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

[!infobox] Teorema: Punto Fijo en Compactos (Edelstein) Contexto: Espacios Métricos Compactos. Enunciado: Sea (M,d)(M, d) un espacio métrico compacto y f:MMf: M \to M una función tal que d(f(x),f(y))<d(x,y)d(f(x), f(y)) < d(x, y) para todo xyx \neq y. Entonces ff tiene un único punto fijo. Clave: Minimizar la función "desplazamiento" g(x)=d(x,f(x))g(x) = d(x, f(x)). La compacidad garantiza que el mínimo se alcanza; la contracción garantiza que ese mínimo debe ser 0.

Demostración Formal

1. Continuidad de la función desplazamiento Primero, notemos que la función ff es continua. Dado que para xyx \neq y, d(f(x),f(y))<d(x,y)d(f(x), f(y)) < d(x, y), la función es 1-Lipschitz (no expansiva), lo que implica continuidad uniforme.

Definimos la función auxiliar g:MRg: M \to \mathbb{R} como:

g(x)=d(x,f(x))g(x) = d(x, f(x))

La función gg es continua por ser composición de funciones continuas (la métrica y ff). Formalmente, por la desigualdad triangular: g(x)g(y)d(x,y)+d(f(x),f(y))2d(x,y)|g(x) - g(y)| \leq d(x, y) + d(f(x), f(y)) \leq 2d(x, y), lo que prueba que gg es continua.

2. Existencia del Mínimo (Weierstrass) Dado que gg es una función continua y su dominio MM es un conjunto compacto, por el Teorema de Weierstrass, gg alcanza su mínimo absoluto en algún punto zMz \in M. Es decir:

g(z)g(x)xMg(z) \leq g(x) \quad \forall x \in M

3. Prueba de que el mínimo es cero (Contradicción) Queremos demostrar que g(z)=0g(z) = 0. Supongamos, por el absurdo, que g(z)>0g(z) > 0. Esto implica que zf(z)z \neq f(z). Evaluamos la función gg en el punto f(z)f(z):

g(f(z))=d(f(z),f(f(z)))g(f(z)) = d(f(z), f(f(z)))

Aplicamos la hipótesis de contracción estricta al par de puntos distintos x=zx=z e y=f(z)y=f(z):

d(f(z),f(f(z)))<d(z,f(z))d(f(z), f(f(z))) < d(z, f(z))

Sustituyendo las definiciones de gg:

g(f(z))<g(z)g(f(z)) < g(z)

Esto es una contradicción, ya que zz era el punto donde gg alcanzaba su mínimo absoluto. Por lo tanto, la suposición es falsa y debe ser que g(z)=0g(z) = 0.

d(z,f(z))=0    f(z)=zd(z, f(z)) = 0 \implies f(z) = z

Hemos probado la existencia de un punto fijo zz.

4. Unicidad Supongamos que existen dos puntos fijos distintos x,yMx, y \in M (con xyx \neq y). Entonces:

d(x,y)=d(f(x),f(y))d(x, y) = d(f(x), f(y))

Pero por la hipótesis del teorema, como xyx \neq y:

d(f(x),f(y))<d(x,y)d(f(x), f(y)) < d(x, y)

Llegamos a que d(x,y)<d(x,y)d(x, y) < d(x, y), lo cual es un absurdo. Por lo tanto, el punto fijo es único. \blacksquare

Uff tremenda demo, muy linda.


Citas y Comentarios

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