최근 수정 시각 : 2024-08-11 21:58:57

부동점 정리

해석학· 미적분학
Analysis · Calculus
{{{#!wiki style="margin: 0 -10px -5px; min-height: calc(1.5em + 5px)"
{{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ]
{{{#!wiki style="margin: -5px -1px -11px"
<colbgcolor=#26455A>실수와 복소수 실수( 실직선 · 아르키메데스 성질) · 복소수( 복소평면 · 극형식 · 편각) · 근방 · 유계 · 콤팩트성 · 완비성
함수 함수 · 조각적 정의 · 항등함수 · 역함수 · 멱함수 · 다변수함수( 동차함수 · 음함수) · 다가 함수 · 함수의 그래프 · 좌표계 · 닮은꼴 함수 · 극값 · 볼록/오목 · 증감표
초등함수( 대수함수 · 초월함수 · 로그함수 · 지수함수 · 삼각함수) · 특수함수 · 범함수( 변분법 · 오일러 방정식) · 병리적 함수
극한·연속 함수의 극한 · 수열의 극한 · 연속함수 · ε-δ 논법 · 수렴( 균등수렴) · 발산 · 부정형 · 점근선 · 무한대 · 무한소 · 특이점 · 0.999…=1
중간값 정리 · 최대·최소 정리 · 부동점 정리 · 스털링 근사 · 선형근사( 어림)
수열· 급수 수열( 규칙과 대응) · 급수( 멱급수 · 테일러 급수( /목록) · 조화급수 · 그란디 급수( 라마누잔합) · 망원급수( 부분분수분해)) · 그물
오일러 수열 · 베르누이 수열 · 월리스 곱
단조 수렴 정리 · 슈톨츠-체사로 정리 · 축소구간정리 · 급수의 수렴 판정 · 리만 재배열 정리 · 바젤 문제 · 파울하버의 공식 · 오일러-매클로린 공식 · 콜라츠 추측미해결
미분 미분 · 도함수( 이계도함수 · 도함수 일람) · 곱미분 · 몫미분 · 연쇄 법칙 · 임계점( 변곡점 · 안장점) · 매끄러움
평균값 정리( 롤의 정리) · 테일러 정리 · 역함수 정리 · 다르부 정리 · 로피탈 정리
립시츠 규칙 · 뉴턴-랩슨 방법 · 유율법 · 경사하강법
적분 적분 · 정적분( /예제) · 스틸체스 적분 · 부정적분( 부정적분 일람) · 부분적분( LIATE 법칙 · 도표적분법 · /예제) · 치환적분 · 이상적분( 코시 주요값)
미적분의 기본정리 · 적분의 평균값 정리
리시 방법 · 2학년의 꿈
다변수· 벡터 미적분 편도함수 · 미분형식 · · 중적분( 선적분 · 면적분 · 야코비안) · 야코비 공식
라그랑주 승수법 · 오일러 동차함수 정리 · 선적분의 기본정리 · 스토크스 정리( 발산 정리 · 그린 정리 변분법
미분방정식 미분방정식( /풀이) · 라플라스 변환
측도론 측도 · 가측함수 · 곱측도 · 르베그 적분 · 절대 연속 측도 · 라돈-니코딤 도함수
칸토어 집합 · 비탈리 집합
복소해석 코시-리만 방정식 · 로랑 급수( 주부) · 유수 · 해석적 연속 · 오일러 공식( 오일러 등식 · 드 무아브르 공식) · 리우빌의 정리 · 바이어슈트라스 분해 정리 · 미타그레플레르 정리
함수해석 공간 위상 벡터 공간 · 국소 볼록 공간 · 거리공간 · 프레셰 공간 · 노름공간 · 바나흐 공간 · 내적공간 · 힐베르트 공간 · Lp 공간
작용소 수반 작용소 · 에르미트 작용소 · 정규 작용소 · 유니터리 작용소 · 컴팩트 작용소
대수 C*-대수 · 폰 노이만 대수
정리 한-바나흐 정리 · 스펙트럼 정리 · 베르 범주 정리
이론 디랙 델타 함수( 분포이론)
조화해석 푸리에 해석( 푸리에 변환 · 아다마르 변환)
관련 분야 해석 기하학 · 미분 기하학 · 해석적 정수론( 1의 거듭제곱근 · 가우스 정수 · 아이젠슈타인 정수 · 소수 정리 · 리만 가설미해결) · 확률론( 확률 변수 · 중심극한정리) · 수치해석학 · 카오스 이론 · 분수계 미적분학 · 수리물리학( 양-밀스 질량 간극 가설미해결 · 나비에 스토크스 방정식의 해 존재 및 매끄러움미해결) · 수리경제학( 경제수학) · 공업수학
기타 퍼지 논리 · 합성곱
}}}}}}}}} ||


1. 개요2. 바나흐 부동점 정리3. 브라우어 부동점 정리

1. 개요

Fixed-point Theorem

정의역과 공역이 공간 [math(X)]인 함수 [math(f:X\to X)]에 대하여 [math(x_0\in X)]가 [math(f(x_0) = x_0)]를 만족할때 이 점 [math(x_0)]를 함수 [math(f)]의 부동점 또는 고정점(fixed point)이라고 한다.

부동점 정리[1]는 공간 [math(X)]와 함수 [math(f)]에 적당한 조건이 주어지면 [math(X)]내에 [math(f)]의 부동점이 존재한다는 것을 내용으로 한다. 그 적당한 조건이 구체적으로 어떤 조건인가에 따라 많은 부동점 정리가 있다. 그중에 해석학에서 배우는 바나흐의 부동점 정리와 위상수학에서 배우는 브라우어의 부동점 정리가 잘 알려져 있다.

부동점 정리는 많이 응용되는 도구이다. 대표적으로 립쉬츠 조건을 만족하는 미분방정식의 해가 존재한다는 정리를 증명할때 부동점 정리가 사용된다. 또한 다변수해석학에서 역함수 정리를 증명할때 사용하기도 한다. 부동점 정리는 수학 이외의 학문에서도 응용되는 경우가 많다. 예를 들자면 경제학에서 완전경쟁교환경제에 일반균형이 존재함을 증명하는 데에 이용된다. 그리고, 영화 뷰티풀 마인드로 유명한 존 내시 게임이론에서 내시균형의 존재 정리를 증명할 때도 부동점 정리가 이용됐다.

부동점 정리는 여럿 있는데, 아래 소개된 둘 외에도 가쿠타니 부동점 정리, 레프스체츠 부동점 정리, 아티야-보트 부동점 정리 등이 있다.

2. 바나흐 부동점 정리

Twierdzenie Banacha o kontrakcji

바나흐 부동점 정리의 내용은 다음과 같다.
공집합이 아닌 완비거리공간 [math((X,d))]에서 정의된 함수 [math(f:X\to X)]가 축소사상이면 [math(f)]는 유일한 부동점 [math(x^*\in X)]를 갖는다. (즉, [math(f(x^*)=x^*)]이다.)
여기서 함수 [math(f)]가 축소사상이라는 것은 임의의 [math(x,y\in X)]에 대하여 상수 [math(0\leq\alpha<1)]가 있어서 [math(d(f(x),f(y)) \leq \alpha d(x,y))]가 항상 성립하는 사상이라는 것을 말한다.

증명은 완비거리공간임을 이용해서 [math(X)]안의 임의의 점 [math(x_0)]로부터 출발하여 [math(x_1 = f(x_0))], [math(x_2 = f(x_1))] ...의 방식으로 구성한 수열 [math((x_n))]이 코시수열임을 보임으로써 존재성과 유일성을 한꺼번에 보인다. 자세한 것은 해석학 교과서를 참조하면 된다.[2]

3. 브라우어 부동점 정리

Dekpuntstelling van Brouwer
[math(K\subset \mathbb{R}^n)]를 [math(n)]차원 유클리드 공간의 볼록 컴팩트 부분집합이라고 하자. 함수 [math(f:K\to K)]가 연속이면 [math(f)]는 [math(K)]에서 부동점을 갖는다.
여기서 볼록 컴팩트 부분집합은 단위구 [math(D^n = \{ \mathbf{x}\in \mathbb{R}^n : \Vert \mathbf{x}\Vert \leq 1\})]로 바꾸어도 무방하다. 위의 바나흐 부동점 정리와는 달리 유일성은 브라우어 부동점 정리의 내용이 아니다.

여러 위상수학 교과서에 귀류법을 사용하는 증명법이 소개되어 있다.[3] 그 외에도 여러가지 다른 증명 방법도 있다.


[1] 고정점 정리 또는 정점 정리라고 번역되는 경우도 있다. '부동'에 떠다닌다(浮動)는 의미의 동음반의어가 있다 보니 이쪽을 선호하기도 한다. [2] 증명이 쉬워서 연습문제로 나오는 교과서도 있다. 간단히 풀어보려면 Munkres, Topology, 2판, ch3. sec.28의 exercise 7 참조 [3] Munkres, Topology, 2판, p. 351 또는 Kahn, Topology, pp. 139-140