Encontrar una solución, demostrar que es única y conseguir que un algoritmo llegue a ella son tres tareas diferentes. Empezaremos con x=(x+2)/3 y haremos varias iteraciones completas. Después veremos por qué el mismo mecanismo sirve en espacios de funciones y qué otras herramientas hacen falta cuando no hay contracción.
Si necesitas repasar:
1. Una ecuación puede tener solución aunque la iteración elegida se aleje
Reescribir F(x)=0 como x=T(x) convierte las soluciones en puntos fijos. Pero diferentes T pueden tener exactamente los mismos puntos fijos y un comportamiento de iteración distinto. La sucesión se construye evaluando siempre la misma función: =T(
).
Hay que elegir espacio, distancia y conjunto de trabajo. Una cuenta formal de punto fijo no demuestra que todas las iteraciones estén permitidas ni que converjan. Separaremos la ecuación algebraica del procedimiento para aproximarla.
Una reescritura que acerca a uno
T(x)=(x+2)/3, x₀=0.
Primera
x₁=(0+2)/3=2/3.Segunda
x₂=(2/3+2)/3=(8/3)/3=8/9.Tercera
x₃=(8/9+2)/3=(26/9)/3=26/27.
Las entradas se acercan a uno; falta justificarlo para todas las iteraciones.
En cada paso se sustituye el resultado anterior en la misma T.
Misma solución, iteración que se aleja
R(x)=2x−1 y x₀=0.
Punto fijo
x=2x−1 equivale a x=1, como antes.Iterar
0 pasa a −1, luego −3 y después −7.
Error
R(x)−1=2(x−1): cada distancia al punto fijo se duplica.
Resolver la ecuación no garantiza que esta iteración la aproxime.
Solo si empieza exactamente en uno permanece allí.
2. Banach pide completitud, preservación del conjunto y una contracción uniforme
Si existe 0≤q<1 con d(Tx, Ty)≤q d(x, y) para todos x, y de C, Banach garantiza un punto fijo único y convergencia desde cualquier x₀∈C. No exige dimensión finita, convexidad ni compacidad.
Las dos comprobaciones «el límite pertenece al espacio» y «cada paso permanece dentro» son distintas. Un cerrado de un Banach es completo, pero T aún tiene que preservarlo. Un conjunto abierto puede ser preservado y aun así perder su límite.
Contracción que sí preserva el conjunto
C=[0,1], T(x)=(x+2)/3.
Completitud
El intervalo es cerrado en R.
Imagen
T(C)=[2/3,1] está dentro de C.Distancias
|T(x)−T(y)|=|x−y|/3, por lo que q=1/3.
Banach demuestra existencia, unicidad y convergencia en C.
No basta haber calculado tres valores que parecen acercarse.
Distinguir dos hipótesis que pueden fallar
Comparar T(x)=x/2 en (0,1) y R(x)=x/2+2 en [0,1].
Primer caso
T preserva (0,1) y tiene q=1/2, pero el espacio no es completo; el punto fijo cero está excluido.
Segundo caso
[0,1] es completo y R reduce distancias por 1/2, pero R(C)=[2,5/2] queda fuera.
Conclusión
Ninguno cumple todas las hipótesis para un punto fijo dentro del C indicado.
Preservación y completitud no se sustituyen entre sí.
El primer caso no es un fallo de preservación: la iteración siempre está dentro y su límite queda fuera.
3. La suma geométrica demuestra convergencia y unicidad
Para m>n, sumar las distancias entre pasos acota d(,
) por qⁿd(x₁, x₀)/(1−q). La sucesión es de Cauchy.
La completitud produce un límite x*. La contracción implica continuidad y permite pasar al límite en =T(
), obteniendo T(x*)=x*. Si y* fuera otro, d(x*, y*)≤q d(x*, y*), lo que fuerza distancia cero. Cada hipótesis ha tenido un papel concreto.
El error exacto de la iteración afín
T(x)=(x+2)/3 y x₀=0.
Restar el fijo
T(x)−1=(x−1)/3.Repetir
−1=3⁻ⁿ(x₀−1)=−3⁻ⁿ.
Fórmula
=1−3⁻ⁿ y su error es 3⁻ⁿ.
La fórmula confirma todas las iteraciones, no solo las primeras tres.
La cota geométrica general también da aquí exactamente 3⁻ⁿ.
Dos puntos fijos no pueden mantenerse separados
q=3/4 y supuestos puntos fijos a, b.
Distancia
d=dist(a, b) cumple d≤(3/4)d.Restar
d/4≤0.No negatividad
Como d≥0, necesariamente d=0 y a=b.
La unicidad usa q estrictamente menor que uno.
Con q=1 la desigualdad d≤d no obligaría a nada.
4. El residuo da una cota de error cuando conocemos q
También , útil porque el residuo se calcula sin conocer la solución. Si q se acerca a uno, un mismo residuo certifica menos precisión.
Si T y R tienen puntos fijos x, y en un conjunto común, T tiene constante q y d(Tz, Rz)≤ε, entonces d(x, y)≤ε/(1−q). Esta estimación mide sensibilidad a cambios de datos. Para aplicarla numéricamente hay que incluir también el error de evaluar las funciones.
Mismo residuo, dos garantías distintas
El residuo medido exactamente es 0,001.
Con q=1/2
Error≤0,001/(1/2)=0,002.Con q=9/10
Error≤0,001/(1/10)=0,01.Comparar
La segunda garantía es cinco veces mayor.
Que una iteración cambie poco no certifica por sí solo una precisión universal.
La cota usa una constante q válida en el conjunto completo considerado.
Un cambio de dato en un mapa afín
T(x)=x/2+3 y R(x)=x/2+3,1.
Cambio uniforme
|T(z)−R(z)|=0,1 para todo z.Cota
Los puntos fijos distan como máximo 0,1/(1−1/2)=0,2.
Resolver
Son seis y 6,2: la cota es exacta.
El factor geométrico amplifica el cambio del término independiente.
No se ha supuesto que las dos aplicaciones tengan el mismo punto fijo.
5. La derivada de Fréchet aproxima con un operador lineal acotado
Para F: U⊂X→Y entre Banach y U abierto, DF(x) es lineal acotado y hace que ‖F(x+h)−F(x)−DF(x)h‖/‖h‖ tienda a cero. Controla todas las direcciones pequeñas a la vez; la existencia aislada de derivadas direccionales no basta.
Si T es C¹ cerca de un conjunto convexo C y ‖DT(x)‖≤q<1 sobre sus segmentos, integrar la derivada prueba la contracción. Una derivada pequeña en un único punto no da una contracción global. Con A invertible fijo, T(x)=x−A⁻¹F(x) tiene derivada I−A⁻¹DF(x), una forma de buscar contracciones locales.
Comprobar la definición para una función sencilla
F(x)=x² en R.
Candidato
DF(x)h=2xh, lineal en h.Resto
(x+h)²−x²−2xh=h².Cociente
|h²|/|h|=|h|→0.
El término cuadrático de error es más pequeño que el incremento lineal al acercarnos.
La derivada depende de x; no es un operador fijo que funcione como linealización exacta en todos los puntos.
Una derivada cero no garantiza contracción global
T(x)=x² y T′(0)=0.
Fuera del entorno
T(2)−T(1)=3, mayor que 2−1=1: no es contracción en R.Dentro de C
En C=[−1/4,1/4], |T′|≤1/2.Preservar
T(C)=[0,1/16]⊂C; aquí sí se aplica Banach y el fijo es cero.
El lugar donde se controla la derivada importa.
El otro punto fijo uno queda fuera del conjunto pequeño.
6. Los teoremas inverso e implícito son locales
Si F es C¹ cerca de x₀ y DF(x₀) es un isomorfismo lineal acotado entre Banach, F admite una inversa C¹ entre entornos de x₀ y F(x₀). La inversa de la derivada es acotada por el teorema de aplicación abierta. El resultado no promete inyectividad global.
Para F(x, λ)=0, si F(x₀, λ₀)=0 y es invertible allí, las soluciones cercanas son x=x(λ) y x′=−(
)⁻¹
F. Si falla la invertibilidad pueden aparecer ramas, como x²=λ; no todos los fallos tienen que seguir ese mismo patrón.
Invertible localmente y repetida globalmente
F(x, y)=(eˣcos y, eˣsin y).
En el origen
Su matriz derivada es I₂, invertible.
Teorema
Hay una inversa suave en entornos pequeños de (0,0) y (1,0).
Global
F(0,0)=F(0,2π)=(1,0), así que no es inyectiva en todo R².
La palabra local evita una conclusión falsa sobre todo el dominio.
Los dos puntos repetidos no tienen por qué pertenecer al mismo entorno de inversión.
Derivar una solución sin despejar toda la ecuación
F(x, λ)=x²+λx−1, cerca de x=1, λ=0.
Solución inicial
1²+0·1−1=0.Derivadas
=2x+λ vale dos;
F=x vale uno.
Implícita
Existe una rama local y x′(0)=−1/2.
El signo negativo indica que la solución inicial disminuye al aumentar un poco λ.
En x²−λ=0 y el origen, =0: este teorema no da una única rama allí.
7. Una ecuación diferencial se convierte en un punto fijo de funciones
En la bola cerrada ‖y−y₀‖∞≤R, una cota |f|≤M y hM≤R garantizan preservación.
Las iteraciones son Picard. Si f solo es continua puede haber existencia sin unicidad; el control Lipschitz es una hipótesis real.
Picard para y′=y, y(0)=1
h=1/4, bola ‖y−1‖∞≤1.
Cotas
Las funciones de la bola toman valores en [0,2], por lo que M=2 y L=1.
Hipótesis
hM=1/2≤1 y hL=1/4<1.Iteraciones
Desde y⁰=1 salen y¹=1+t y y²=1+t+t²/2, aproximaciones de eᵗ.
La contracción sucede entre funciones completas, medidas en norma supremo.
Reducir h ha servido tanto para preservar la bola como para hacer pequeña la constante.
Una función continua puede dar varias soluciones
y′=2√|y|, y(0)=0.
Una solución
y(t)=0 para todo t≥0.Otras
Elegir a≥0 y poner y=0 hasta a, y=(t−a)² después; la derivada y la función encajan en a.
Comprobar
Tras a, y′=2(t−a)=2√y; todas satisfacen el mismo dato inicial.
Hay múltiples soluciones porque falta Lipschitz cerca de y=0.
El cociente 2√δ/δ=2/√δ no tiene cota al acercarse δ a cero.
8. Brouwer y Schauder dan existencia sin prometer convergencia de iteración
Brouwer garantiza un punto fijo para una aplicación continua de un compacto convexo no vacío de Rⁿ en sí mismo. Schauder lo extiende a un compacto convexo no vacío de un Banach. Una formulación útil usa C cerrado, acotado, convexo y no vacío, con T: C→C continuo y T(C) relativamente compacto.
En dimensión infinita cerrado y acotado no basta para compacto. Para operadores de funciones, Arzelà–Ascoli obtiene compacidad a partir de acotación uniforme y equicontinuidad. Estas herramientas pueden dar existencia sin contracción, sin unicidad y sin convergencia de las iteraciones directas.
Un fijo existe, pero el algoritmo oscila
T(x)=1−x en [0,1], con x₀=0.
Existencia
T es continua y preserva el intervalo compacto convexo; el fijo es 1/2.
Iterar
0→1→0→1→… no converge.Comparar
Su constante de distancia es uno, no menor que uno.
Brouwer no prometía convergencia de esta iteración.
La identidad daría además un caso con todos los puntos fijos, mostrando que tampoco promete unicidad.
Compacidad de una imagen de funciones
En la bola unidad de C([0,1]), T(f)(t)=1/4+t∫₀¹s sin(10f(s))ds.
Preservar
|T(f)(t)|≤1/4+1/2=3/4: la imagen queda dentro de la bola.Equicontinuidad
|T(f)(t)−T(f)(r)|≤|t−r|/2, uniformemente en f.Aplicar
T es continuo en norma supremo; Arzelà–Ascoli hace su imagen relativamente compacta y Schauder garantiza un fijo.
La cota disponible para contracción es cinco, así que no sirve para aplicar Banach directamente.
Schauder no demuestra con este cálculo que el fijo sea único.
9. El grado no nulo y las cotas previas permiten demostrar existencia
El grado de Brouwer de F en un abierto acotado Ω respecto de cero requiere F continua en el cierre y sin ceros en el borde. Si cero es regular y F suave, se suma el signo de det DF en sus ceros. Grado no nulo fuerza un cero y se conserva en homotopías sin ceros en el borde.
Leray–Schauder adapta el mecanismo a I−T con T compacto en Banach. Las cotas previas impiden escapes al borde durante una deformación. Schaefer: si T: X→X es continuo y compacto y {x: x=tT(x), 0≤t≤1} es acotado, T tiene un punto fijo. La cota se prueba sobre posibles soluciones, sin tener que construirlas primero.
Grado uno con tres soluciones
F(x)=x³−x en Ω=(−2,2).
Ceros
Son −1,0,1, todos interiores.
Signos
F′=3x²−1 da signos +,−,+ en esos tres ceros.Sumar
El grado es 1−1+1=1, no nulo.
El grado asegura existencia, pero no unicidad.
En el borde, F(2)=6 y F(−2)=−6, por lo que la definición no encuentra ceros allí.
Una cota previa sencilla para Schaefer
T continuo compacto con ‖T(x)‖≤M para todo x.
Posible solución
Si x=tT(x) y 0≤t≤1, entonces ‖x‖=t‖T(x)‖.Acotar
Por tanto ‖x‖≤M.Aplicar
El conjunto de todas esas posibles soluciones es acotado; Schaefer garantiza un fijo de T.
La estimación no tuvo que encontrar previamente el punto fijo.
Se usa compacidad de la aplicación además de la cota; una función arbitraria acotada no basta.
10. Monotonía y coercividad aportan otro mecanismo de existencia
La derivada de una función convexa diferenciable es monótona. Esta condición controla un signo en la pareja dual, no una reducción de distancias como una contracción.
Una versión de Browder–Minty: si X es real, reflexivo y separable, A es monótono, hemicontinuo, acotado sobre conjuntos acotados y coercivo, es sobreyectivo.
Monotonía estricta añade unicidad. Son hipótesis diferentes de las de Banach o Schauder.
Una aplicación monótona y coerciva que no es contracción
A(x)=x³ en R.
Signo
(u³−v³)(u−v)=(u−v)²(u²+uv+v²)>0 si u≠v.Coercividad
A(x)x/|x|=|x|³→∞; también es continua y acotada en acotados.Resolver
Para cada b hay una única solución x³=b; en particular b=8 da x=2.
La existencia y unicidad no necesitan que x↦x³ reduzca distancias.
Su derivada crece sin cota en R, así que no es una contracción global.
La ecuación aparece como condición de mínimo
J(x)=x⁴/4−8x.
Derivar
J′(x)=x³−8, así que el único crítico es dos.Control global
J(x)→∞ cuando |x|→∞; un mínimo no puede escapar al infinito.Unicidad
La derivada x³−8 es estrictamente creciente y cambia de negativa a positiva en dos: es el mínimo único.
El mismo problema se resuelve mediante una energía variacional.
La coercividad de J y la de su derivada A son condiciones relacionadas en este ejemplo, pero sus fórmulas no son idénticas.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Una contracción afín
Resuelve x=(x+2)/3 mediante punto fijo.
Transformación
T(x)=(x+2)/3 en R.Contracción
|T(x)−T(y)|=|x−y|/3, con q=1/3<1.Espacio
R es completo y T está definida en todo él; Banach da un fijo único.
Ecuación
x=(x+2)/3 equivale a 3x=x+2.Resolver
2x=2 y x=1.Comprobar
T(1)=1 y cualquier iteración converge a ese único fijo.
El único punto fijo es 1.
T(1)=1.
EJEMPLO RESUELTO 2
Primera iteración
Para T(x)=(x+2)/3 y x₀=0, calcula x₁ y x₂.
Datos
T(x)=(x+2)/3 y x₀=0.Sustituir una vez
x₁=T(0)=(0+2)/3=2/3.Sustituir de nuevo
x₂=T(2/3)=(2/3+2)/3.Sumar dentro
2/3+2=2/3+6/3=8/3.Dividir
(8/3)/3=8/9.Comprobar
Los errores respecto de uno son 1/3 y 1/9, reducidos por el factor q=1/3.
x₁=2/3 y x₂=8/9.
Los valores se aproximan a 1.
Los símbolos que hemos usado
- X, ||·||
- Espacio de Banach, es decir, espacio normado completo.
- T:C→C
- Aplicación, posiblemente no lineal, que preserva el conjunto donde se busca el punto fijo.
- q
- Constante uniforme de contracción, con 0≤q<1.
- xₙ₊₁=T(xₙ)
- Iteración de Picard a partir de un dato inicial x₀.
- DF(x)
- Derivada de Fréchet: operador lineal acotado que aproxima F con resto o(||h||).
- T compacto
- Aplicación continua que envía conjuntos acotados a conjuntos relativamente compactos.
- ⟨ℓ,x⟩
- Evaluación de un funcional ℓ∈X′ sobre x; es la pareja dual.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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