Si f:[0,1]→[0,1] continua ⟹f tiene al menos un punto fijo.
Dem:
Sea g(x)=f(x)−x g cumple hipótesis de Bolzano.
g(0)=f(0)≥0g(1)=f(1)−1≤0
g es continua ⟹ por Bolzano:
∃x0∈[0,1]g(x0)=0⟹f(x0)=x0
[!infobox] Teorema: Punto Fijo (Caso Unidimensional)
Contexto: Análisis Real / Funciones Continuas.
Enunciado: Sea f:[0,1]→[0,1] una función continua. Entonces existe al menos un punto c∈[0,1] tal que f(c)=c.
Clave: Se define una función auxiliar g(x)=f(x)−x y se aplica el Teorema de Bolzano (Valor Intermedio).
Demostración Formal
Definimos la función auxiliar g:[0,1]→R dada por:
g(x)=f(x)−x
1. Continuidad de la función auxiliar
La función f es continua por hipótesis y la función identidad id(x)=x es continua (polinomio).
Dado que la resta de funciones continuas es continua, g es continua en el intervalo cerrado [0,1].
2. Evaluación en los extremos
Analizamos el signo de g en los bordes del intervalo, utilizando la hipótesis de que la imagen de f está contenida en [0,1] (es decir, 0≤f(x)≤1 para todo x):
En x=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=1:
g(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 g definida en un intervalo cerrado tal que g(0)≥0 y g(1)≤0.
Consideramos dos casos:
Caso A: Si g(0)=0 o g(1)=0, entonces x=0 o x=1 son puntos fijos triviales y el teorema se cumple.
Caso B: Si g(0)>0 y g(1)<0, hay un cambio estricto de signo. Por el Teorema de Bolzano (Teorema del Valor Intermedio), existe al menos un c∈(0,1) tal que g(c)=0.
4. Conclusión
En cualquier caso, existe c∈[0,1] tal que:
g(c)=0⟺f(c)−c=0⟺f(c)=c
Por lo tanto, c es un punto fijo de f. ■
Obs:
Sea f:M→M continua, x0∈M
Defino la sucesión:
xn+1=f(xn)∀n≥1(xn)n∈N⊆M
Supongamos que xn⟶x
Como f continua, entonces:
f(xn)⟶f(x)
Pero por definición de mi sucesión tengo que
xn+1=f(xn)
Luego
xn+1⟶f(x)⟹f(x)=x
[!infobox] Proposición: Convergencia a un Punto Fijo
Contexto: Espacios Métricos / Análisis Numérico.
Enunciado: Sea (M,d) un espacio métrico y f:M→M una función continua. Sea (xn)n∈N la sucesión definida iterativamente por xn+1=f(xn) con x0∈M.
Si la sucesión converge a un punto x∈M, entonces x es un punto fijo de f (es decir, f(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 f sea una contracción - Teorema de Banach).
Demostración Formal
1. Definición de la sucesión
Sea la sucesión definida por la recurrencia:
xn+1=f(xn)∀n≥0
2. Hipótesis de Convergencia
Supongamos que la sucesión converge a un punto x∈M:
n→∞limxn=x
Esto implica que cualquier subsucesión o desplazamiento de índice también converge al mismo límite. En particular, la sucesión desplazada (xn+1) cumple:
n→∞limxn+1=x(∗)
3. Aplicación de la Continuidad
Dado que f es continua en x, el límite de la imagen es la imagen del límite (caracterización secuencial de la continuidad):
n→∞limf(xn)=f(n→∞limxn)=f(x)
Por la definición de la sucesión, sabemos que f(xn)=xn+1. Sustituyendo esto en el límite anterior:
n→∞limxn+1=f(x)(∗∗)
4. Conclusión (Unicidad del Límite)
En un espacio métrico, el límite de una sucesión es único. Igualando los resultados (∗) y (∗∗):
x=f(x)
Por lo tanto, x es un punto fijo de f. ■
Def. :
Sea f:M→N, se dice que es una contraccioˊn si ∃0<c<1 tal qued(f(x),f(y))<c⋅d(x,y)∀x,y∈M
Teorema :
f:M→M una contraccioˊn y M completo. Entonces f tiene un uˊnico punto fijo.
Dem:
Sea x0∈M. Defino xn=f(xn−1),n≥1 . Notar que (xn)⊆M
Quiero ver que xn⟶x∈M
Como M es completo, basta ver que es de Cauchy.
Como M es completo xn⟶x y x punto fijo.
Por otro lado teníamos que f(xn)⟶f(x) pues f continua.
Y como xn+1=f(xn) entonces f(x)=x
Veamos unicidad, supongamos que
∃y=x,f(y)=y
d(y,x)=d(f(y),f(x))≤c⋅d(y,x)<d(y,x)
Absurdo, por lo tanto x es punto fijo.
[!infobox] Teorema: Punto Fijo de Banach
Contexto: Espacios Métricos Completos / Ecuaciones Diferenciales.
Enunciado: Sea (M,d) un espacio métrico completo y f:M→M una contracción (es decir, existe 0≤c<1 tal que d(f(x),f(y))≤c⋅d(x,y) para todo x,y∈M). Entonces f tiene un único punto fijo x∗∈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 x0∈M un punto arbitrario. Definimos la sucesión iterativa:
xn=f(xn−1)∀n≥1
2. Acotación de pasos consecutivos (Inducción)
Evaluamos la distancia entre dos términos consecutivos:
d(xn+1,xn)=d(f(xn),f(xn−1))≤c⋅d(xn,xn−1)
Aplicando esto recursivamente n veces, obtenemos:
d(xn+1,xn)≤cn⋅d(x1,x0)(∗)
3. Prueba de que es una sucesión de Cauchy
Sean m,n∈N con m>n. Por la desigualdad triangular:
La suma entre paréntesis es una suma parcial de una serie geométrica. Como c<1, podemos acotarla por la serie infinita:
k=0∑∞ck=1−c1
Por lo tanto:
d(xn,xm)≤1−ccnd(x1,x0)
Dado que c<1, limn→∞cn=0. Esto implica que para n suficientemente grande, d(xn,xm) se hace arbitrariamente pequeña.
Luego, (xn) es una sucesión de Cauchy.
4. Convergencia y Punto Fijo
Como M es un espacio métrico completo, la sucesión de Cauchy converge a un punto x∗∈M.
n→∞limxn=x∗
Toda contracción es una función continua. Usando la proposición de continuidad en sucesiones iterativas:
x∗=n→∞limxn+1=n→∞limf(xn)=f(n→∞limxn)=f(x∗)
Por lo tanto, x∗ es un punto fijo.
Parte B: Unicidad
Supongamos que existen dos puntos fijos x,y∈M (es decir, f(x)=x y f(y)=y).
Evaluamos la distancia entre ellos:
d(x,y)=d(f(x),f(y))
Por la condición de contracción:
d(f(x),f(y))≤c⋅d(x,y)
Entonces:
d(x,y)≤c⋅d(x,y)
Si d(x,y)>0, podemos dividir por esa distancia y obtenemos 1≤c, lo cual es absurdo ya que por hipótesis c<1.
La única posibilidad es que d(x,y)=0, lo que implica x=y. ■
Teorema :
Si f:M→M tal que d(f(x),f(y))<d(x,y)∀x,y∈My M compacto ⟹f tiene un uˊnico punto fijo.
Dem:
Sea
A={d(x,f(x)):x∈M}⊆R≥0
A=∅ y A está acotado inferiormente. Entonces ∃inf(A)
Sea i=inf(A). Existe (xn)n∈N⊆M tal que
d(xn,f(xn))⟶i
Como M compacto ⟹∃(xnk)⊆Mxnk⟶x∈M
⟹d(xnk,f(xnk))⟶i
Luego aplico f a xnk⟶x porque no puedo asegurar que (xn) converge.
Como f continua:
f(xnk)⟶f(x)⟹d(xnk,f(xnk))⟶d(x,f(x)) TAREA, ver esto
⟹i=d(x,f(x))∈A⟹i=min(A)
Veamos que i=0. Supongamos que no
d(x,f(x))>0⟹f(x)=x
Sea y=f(x)=x
d(y,f(y))=d(f(x),f(y))<d(x,y)=d(x,f(x))
Pero min(A)=d(x,f(x)) y d(y,f(y))∈A . Es decir, encontramos un elemento en A que es más chico que el mínimo. Absurdo.
⟹inf(A)=0
Por lo tanto x es punto fijo pues d(x,f(x))=i=0=∣f(x)−x∣⟹f(x)=x
Unicidad:
Supongo ∃y=xy=f(y)
d(y,x)=d(f(y),f(x))<d(y,x)
Absurdo. ⟹x es el único punto fijo.
Q.E.D.□
[!infobox] Teorema: Punto Fijo en Compactos (Edelstein)
Contexto: Espacios Métricos Compactos.
Enunciado: Sea (M,d) un espacio métrico compacto y f:M→M una función tal que d(f(x),f(y))<d(x,y) para todo x=y. Entonces f tiene un único punto fijo.
Clave: Minimizar la función "desplazamiento" 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 f es continua. Dado que para 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:M→R como:
g(x)=d(x,f(x))
La función g es continua por ser composición de funciones continuas (la métrica y f).
Formalmente, por la desigualdad triangular: ∣g(x)−g(y)∣≤d(x,y)+d(f(x),f(y))≤2d(x,y), lo que prueba que g es continua.
2. Existencia del Mínimo (Weierstrass)
Dado que g es una función continua y su dominio M es un conjunto compacto, por el Teorema de Weierstrass, g alcanza su mínimo absoluto en algún punto z∈M.
Es decir:
g(z)≤g(x)∀x∈M
3. Prueba de que el mínimo es cero (Contradicción)
Queremos demostrar que g(z)=0.
Supongamos, por el absurdo, que g(z)>0. Esto implica que z=f(z).
Evaluamos la función g en el punto f(z):
g(f(z))=d(f(z),f(f(z)))
Aplicamos la hipótesis de contracción estricta al par de puntos distintos x=z e y=f(z):
d(f(z),f(f(z)))<d(z,f(z))
Sustituyendo las definiciones de g:
g(f(z))<g(z)
Esto es una contradicción, ya que z era el punto donde g alcanzaba su mínimo absoluto.
Por lo tanto, la suposición es falsa y debe ser que g(z)=0.
d(z,f(z))=0⟹f(z)=z
Hemos probado la existencia de un punto fijo z.
4. Unicidad
Supongamos que existen dos puntos fijos distintos x,y∈M (con x=y).
Entonces:
d(x,y)=d(f(x),f(y))
Pero por la hipótesis del teorema, como x=y:
d(f(x),f(y))<d(x,y)
Llegamos a que d(x,y)<d(x,y), lo cual es un absurdo.
Por lo tanto, el punto fijo es único. ■