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縮めるだけで答えがひとつに決まる〜バナッハの不動点定理

完備距離空間 の上の写像 が縮小写像であるとは、 がとれて次が成り立つことをいいます[1]

このとき には不動点がただひとつ存在し、どこから始めても反復 がそこへ収束します[2]

線形性は要りません。距離空間であること、完備であること、そして縮小率が より真に小さいこと。仮定はこの 3 つだけです。

証明

任意の から始めて と反復します[1]。隣り合う項の距離が幾何級数で縮む。

三角不等式で 個先まで足すと、公比 の等比級数で押さえられます。

右辺は に落ちるので、 はコーシー列です[2] の完備性から極限 が存在する。

は縮小写像なので連続です。 の両辺で極限をとれば

一意性も出ます。 なら で、 から

誤差がその場で分かる

存在と一意性だけでなく、誤差の大きさまで書けます[2]。知られている評価は 2 つ。

左が事前評価です。最初の 1 歩の大きさだけで、 回後の誤差が読めます。何回まわせばよいかを、走らせる前に決められる。

右が事後評価です。直前の 2 項の差から、いま残っている誤差が分かる。実際の計算ではこちらのほうが精度が出ます[1]

収束は 1 次で、速さは そのもの[2] に近いほど、必要な反復回数が増えます。

に緩めると壊れる

なら 」という条件では足りません[1]。距離は縮むのに、一定の割合では縮まないから。

の上で をとる。 の閉集合なので完備。

のとき が成り立ちます。距離は必ず縮む。

ところが を意味し、解がありません[1] が大きいところで縮小率が に近づくため、一定の がとれない。

定義域がコンパクトなら、この弱い条件でも不動点が存在します[1]。上の例は定義域が有界でないところが効いています。

完備性も外せない

の完備性がないと、コーシー列の行き先が空間の外へ出ます。

の上で をとる。縮小率 の縮小写像ですが、反復は へ向かい、 は定義域にありません。

完備でない空間では、反復列が「近づいてはいるが着かない」状態になる。存在を保証する足場が抜けています。

縮小写像

が一定。完備なら不動点がただひとつ存在し、反復がそこへ収束する

距離が縮むだけの写像

を許す形。 上の のように、不動点がないことがある

応用:微分方程式の解の存在

いちばん有名な応用がピカール・リンデレフの定理です[2]。初期値問題を積分方程式に書き直します。

右辺を に対する作用素 と見ると、解はちょうど の不動点。 についてリプシッツ連続なら、区間を短くとることで が縮小写像になります。

は最大値ノルムで完備なので、定理が使えます。解の存在と一意性が同時に出るところが強み[1]

反復はピカールの逐次近似そのものです。 から始めて積分をくり返すと、解へ収束していく。

応用:ニュートン法と逆関数定理

反復の形をした手続きは、たいていこの定理の枠に入ります[2]

ニュートン法は という反復です。右辺を写像と見て、解の近くで縮小写像になる条件を確かめる、という筋道になります。

逆関数定理も同じ形です[1]。恒等写像に小さいリプシッツ摂動を足したものが、双リプシッツな同相になる、という主張から出ます。

積分方程式の可解性、動的計画法の値反復、経済学の均衡の存在。反復が縮むかどうかだけを見る、という共通の型があります[1]

問題を「 を解く」形に書き直す

が縮小写像になる範囲を探す

反復して解を作り、誤差を評価する

上の に不動点がないのはなぜですか。

  • 定義域が完備でないから
  • 縮小率が一定の でとれないから
  • が連続でないから
__RESULT__

は閉集合なので完備で、 は連続です。距離は必ず縮むものの、 が大きくなるほど縮小率が に近づくため、全体で使える定数 がとれません。

よくある誤り

距離が縮めば不動点があると思う。一定の が要ります。
完備性を落としても使えると思う。 上の で行き先が消えます。
線形性が必要だと思う。距離空間であれば足ります。
初期値の選び方で行き先が変わると思う。どこから始めても同じ不動点に着きます。
事前評価と事後評価を同じものだと思う。使う量も精度も違います。
に近くても回数は変わらないと思う。必要な反復回数は で大きく変わります。
定義域が で保たれることを確かめない。 は仮定の一部です。

参考文献

Banach fixed-point theorem. Wikipedia(英語).
Fixpunktsatz von Banach. Wikipedia(ドイツ語).
距離が一定の割合で縮む写像には、不動点がただひとつあって、どこから始めても反復がそこへ着きます。線形性は要らず、完備であることと縮小率が $1$ より真に小さいことだけ。事前評価と事後評価で誤差がその場で読めること、$[1, \infty)$ 上の $x + 1/x$ のように縮小率が一定でないと壊れること、そしてピカールの逐次近似やニュートン法がこの枠に収まるところまで。