构造度量空间的不动点定理?


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Banach的不动点定理说,如果我们有一个非空的完整度量空间,那么任何统一压缩函数都具有唯一的不动点。然而,这个定理的证明需要选择公理-我们需要选择任意元素一个∈ 一开始迭代˚F从,得到柯西序列一,˚F (一),˚F 2(一),˚F 3(a ),…。 Af:A→Aμ(f)a∈Afa,f(a),f2(a),f3(a),…

  1. 构造分析中不动点定理如何表达?
  2. 另外,是否有对构造度量空间的简要引用?

我问的原因是我要构建系统F的模型,其中类型还带有度量结构(除其他外)。在构造性集合理论中,我们可以构造集合的族非常有用U,这样使得U在产品,指数和U索引族下是封闭的,这使得给出系统F的模型变得容易。

如果我能做一个类似的构造性超测空间,那将是非常好的。但是,由于在构造性集合论中增加了选择使其成为经典,显然,我需要对定点定理以及其他一些东西更加谨慎。


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您可以将假设更改为是一个有人居住的集合。你是不是调用选择公理挑一∈ 一。Aa∈A
— Colin McQuillan

Answers:


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当存在“事物” 的集合并且您为每个“事物”选择一个元素时,将使用选择公理。如果集合中只有一件事,那不是选择的公理。在我们的情况下,我们只有一个度量空间,我们正在“选择”其中的一个点。所以这不是选择,而是消除存在量词,即公理,我们有一个假设和我们说“让X ∈ 一个是这样的:φ (X ) ”。不幸的是,人们经常说“∃x∈A.ϕ(x)x∈Aϕ(x) x∈A “,那么它看起来就像选择公理的应用。ϕ(x)

作为参考,这是Banach不动点定理的建设性证明。

定理:在一个完整的度量空间上的收缩具有唯一的不动点。

证明。假设是一个居住的完整度量空间,而f :M → M是一个收缩。因为˚F是收缩存在α,使得0 < α < 1和d (˚F (X ),˚F (ÿ ))≤ α &CenterDot;&d (X ,ÿ )对所有X ,ÿ ∈ 中号(M,d)f:M→Mfα0<α<1d(f(x),f(y))≤α⋅d(x,y)x,y∈M。

假设和v是f的不动点。然后我们ð (Û ,v )= d (˚F (Û ),˚F (v ))≤ α d (Û ,v )从其中它遵循0 ≤ d (Û ,v )≤ (α - 1 )d (u ,v )≤uvf

d(u,v)=d(f(u),f(v))≤αd(u,v)
,因此 d (u ,v )= 0且 u = v。这证明 f最多具有一个固定点。0≤d(u,v)≤(α−1)d(u,v)≤0d(u,v)=0u=vf

有待证明不动点的存在。因为有人居住存在X 0 ∈ 中号。定义序列(X 我)通过递归X 我+ 1 = ˚F (X 我)。我们可以通过感应该证明d (X 我,X 我+ 1)≤ α 我 ⋅ d (X 0,X 1)。由此可见,Mx0∈M(xi)

xi+1=f(xi).
d(xi,xi+1)≤αi⋅d(x0,x1)是柯西序列。因为 M是完整的,所以序列的极限为 y = lim i x i。由于 f是一个收缩,因此它是一致连续的,因此它会受限于序列的限制: f (y )= f (lim i x i)= lim i f (x i)= lim i x i + 1 = lim i x 一世(xi)My=limixif 因此 y是 f的固定点。QED
f(y)=f(limixi)=limif(xi)=limixi+1=limixi=y.
yf

备注:

  1. 我非常小心,不要说“选择 ”和“选择x 0 ”。说这样的话很常见,它们只会增加混乱,使普通的数学家无法分辨选择的公理是什么。αx0

  2. 在证明的唯一性部分中,人们经常不必要地假设存在两个不同的固定点并得出矛盾。这样,他们只设法证明,如果和v是固定的点˚F然后¬ ¬ (û = v )。因此,现在他们需要排除中点才能得出u = v。即使对于古典数学,这也不是最理想的选择,只是表明证明的作者没有良好的逻辑卫生。uvf¬¬(u=v)u=v

  3. (xi)x0∃x∈M.⊤x0M

  4. M∃x∈M.⊤M¬∀x∈M.⊥

  5. fixMMM∀∃

  6. 最后,以下定点定理具有构造性版本:

    • 完全格上单调映射的Knaster-Tarski不动点定理
    • 完整度量空间上Banach的不动点定理
    • dcpos上单调映射的Knaster-Tarski不动点定理(由Pataraia证明)
    • 领域理论中的各种不动点定理通常具有构造性证明
    • 递归定理是定点定理的一种形式,它具有构造性证明
    • 我证明了在链完全摆式上单调映射的Knaster-Tarski不动点定理没有建设性的证明。同样,链完整摆姿上渐进映射的Bourbaki-Witt不动点定理也建设性地失败了。后一个实例的反例来自有效topos:在有效topos序数(适当定义)中形成一个集合,后继图是渐进的,没有固定点。顺便说一下,在有效主题中,序数上的后继图不是单调的。

现在,这比您要求的信息更多。


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度量空间的任何公理都需要重新制定吗?
— Neel Krishnaswami

这是另一个不错的答案,Andrej!
— Suresh Venkat

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@Neel:不,公理与经典情况相同。
— Andrej Bauer,

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fixfixfix

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fixfix=λM.λf.f(fixM(f))MfMM
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