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バナッハの不動点定理のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

バナッハの不動点定理

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文章ではバナッハの不動点定理を証明する。普通のバナッハの不動点定理のあとに、パラメータ付きのバナッハの不動点定理も証明する。

定義 1.

距離空間Xのコーシー列がすべて収束するとき距離空間Xは完備であると言う。

命題 2 (M testもどき).

距離空間X内の点列{an}

n=0d(an,an+1)<

を充たすなら{an}はコーシー列であり、特にXが完備ならこの点列は収束する。

証明.

nmとして三角不等式を繰り返し用いて

d(an,am)d(an,an+1)+d(an+1an+2)+d(am1,am)=k=nm1d(ak,ak+1)

ここで

n=1d(an,an+1)<

なので任意にε>0を与えると適当なNがあって

Nn,mk=nm1d(ak,ak+1)<ε

となるので点列{an}はコーシー列である。 ∎

定理 3 (Banachの不動点定理).

(X,d)を完備距離空間とし、写像f:(X,d)(X,d)

q[0,1)x,yXd(f(x),f(y))qd(x,y)

を充たすとする。(これを充たす写像を縮小写像と言う)このとき。fには不動点が唯一存在する。

証明.

まずこの写像fが連続であることが直ちに分かる。
Xの点x0を適当に選んで数列{xn}を帰納的に

xn+1=f(xn)

と定義する。この時Xn+1=f(xn),xn=f(xn1)より

d(xn,xn+1)=d(f(xn1),f(xn))qd(xn1,xn)

が成り立つことから帰納的に

d(xn,xn+1)qnd(x0,x1)

がわかる。0q<1より

n=1d(xn,xn+1)d(x0,x1)(n=0qn)=d(x0,x1)11q<

なので補題により{xn}はコーシー列でXは完備であるからこの数列は収束する。その収束値をxとするとfの連続性と

xn+1=f(xn)

及び

limnxn+1=limnxn=x

から

f(x)=x

がわかる。これで不動点の存在は示された。一意性はx,yfの不動点とするともちろんf(x)=x,f(y)=yであるから

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

0q<1よりd(x,y)0となり、x=yがわかるのでfの不動点は唯一である。 ∎

定理 4 (パラメータ付きの不動点定理).

Xを完備距離空間、Tを位相空間とし写像 f:X×TXが連続であるとし、f(x,t)=ft(x)と書くことにする。さらに

q[0,1)x,yXtTd(ft(x),ft(y))qd(x,y)

を充たし(qtに依存してないことに注意せよ。)

xXft(x)t

であるとする。(このときxを固定してft(x)tについて有界で連続になる。)このとき先の命題から存在と唯一性が示されるt毎のftの不動点をh(t)と書くことにし、写像h(t):TXとみなしたとき、h(t)は連続写像である。

証明.

先とほぼ同様の証明である。一意性などは省き連続性を証明する。 Xの点x0を適当に選んで数列{xn}を帰納的に

x0(t)x0,xn+1(t)=ft(xn(t))

と定義する。また実数MtTd(x0,x1(t))MとなるMとする。このようなMx1(t)の有界性から存在する。さてこの時xn+1(t)=ft(xn(t)),xn=ft(xn1(t))より

d(xn(t),xn+1(t))=d(ft(xn1(t)),ft(xn(t)))qd(xn1(t),xn(t))d(x0(t),x1(t))qn

が成り立つことから帰納的に

d(xn(t),xn+1(t))qnd(x0(t),x1(t))Mqn

がわかる。0q<1より

n=1d(xn(t),xn+1(t))d(x0(t),x1(t))(n=0qn)=M11q<

なので補題より各tTについて

d(xn(t),xm(t))ε

よって

suptTd(xn(t),xm(t))ε

つまり{xn(t)}xn(t):TXと見なしたときこの関数列は一様距離でコーシー列でXは完備であるからこの点列列は収束し。各nについてxn(t)が連続であることから。その一様極限たるh(t)も連続である。これが不動点であることとかは先と同様である。 ∎

References

  • [1] ユルゲン・ヨスト著,小谷元子訳,ポストモダン解析学,シュプリンガー・フェアラーク東京,2000