Теорема Какутани о неподвижной точке

Теорема Какутани о неподвижной точке — обобщение теоремы Брауэра о неподвижной точке на многозначные функции.

Формулировка

Пусть $S$ — непустое компактное выпуклое подмножество евклидова пространства. Пусть $\phi \colon S\to 2^{S}$ — многозначная функция на $S$ , такая, что множество $\phi (x)\subset S$ непусто и выпукло для всех $x\in S$ , и имеет замкнутый график, то есть множество

\{\,(x,y)\in S\times S\mid \,y\in \phi (x)\}

замкнуто в топологии прямого произведения $S\times S$ . Тогда $\phi (x)$ имеет неподвижную точку, то есть существует точка $x\in S$ такая, что $x\in \phi (x)$ .

Замечание

Из следующего примера видно, что требование выпуклости множеств $\phi (x)$ существенно.

Зафиксируем достаточно маленькое положительное число $\varepsilon$ и рассмотрим функцию

\varphi (x)=\{\,y\in [0,1]\mid |x-y|\geq \varepsilon \,\},

определенную на отрезке $[0,1]$ . Заметим, что множество $\phi ({\tfrac {1}{2}})$ не выпукло и эта функция не имеет неподвижной точки, хотя удовлетворяет всем остальным требованиям теоремы.

О доказательствах

Теорему Какутани можно свести к теореме Брауэра аппроксимацией.

Теорему Какутани можно вывести из леммы Шпернера аналогично теореме Брауэра.

История

Теорема доказана Сидзуо Какутани в 1941 году,^[1] чтобы доказать теорему о минимаксе в антагонистической игре.

Она была использована Джоном Нэшем при доказательстве существования равновесия Нэша в знаменитой двухстраничной статье^[2], которая принесла ему Нобелевскую премию по экономике.

Примечания

↑ Kakutani, Shizuo. A generalization of Brouwer’s fixed point theorem (неопр.) // Duke Mathematical Journal^[англ.]. — 1941. — Т. 8, № 3. — С. 457—459. — doi:10.1215/S0012-7094-41-00838-4.
↑ Nash, J.F., Jr. Equilibrium Points in N-Person Games (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1950. — Vol. 36, no. 1. — P. 48—49. — doi:10.1073/pnas.36.1.48. — PMID 16588946. — PMC 1063129.

Ссылки

Воробьёв Н.Н. Основы теории игр. Бескоалиционные игры. — М.: Наука, 1984.
Савватеев А.В. Основные теоремы теории игр // Общеинститутский семинар «Коллоквиум МИАН» 4 декабря 2014 г. 16:00, г. Москва, конференц-зал МИАН (ул. Губкина, 8).

Похожие исследовательские статьи

Электростатика — раздел учения об электричестве, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Это взаимодействие осуществляется посредством электростатического поля.

Теорема Гаусса — один из основных законов электродинамики, входит в систему уравнений Максвелла. Выражает связь между потоком напряжённости электрического поля сквозь замкнутую поверхность произвольной формы и алгебраической суммой зарядов, расположенных внутри объёма, ограниченного этой поверхностью. Применяется отдельно для вычисления электростатических полей.

В математике и теоретической физике функциональная производная является обобщением производной по направлению. Разница заключается в том, что для последней дифференцирование производится в направлении какого-нибудь вектора, а для первой речь идёт о функции. Оба эти понятия можно рассматривать как обобщение обычного дифференциального исчисления.

Электростати́ческий потенциа́л — физическая величина, служащая скалярной энергетической характеристикой электростатического поля и для конкретной рассматриваемой точки $\text{[math]}$ равная потенциальной энергии $\text{[math]}$ пробного заряда, помещённого в данную точку, отнесённой к величине $\text{[math]}$ этого заряда.

Ле́мма Фату́ — техническое утверждение, используемое при доказательстве различных теорем в функциональном анализе и теории вероятностей. Оно даёт одно из условий, при которых предел почти всюду сходящейся функциональной последовательности будет суммируемым.

Теорема Брауэра о неподвижной точке — важная теорема о неподвижной точке, применимая к непрерывным отображениям в конечномерных пространствах, являющаяся основной для некоторых более общих теорем.

Теорема Арцела́ — утверждение, которое представляет собой критерий предкомпактности множества в полном метрическом пространстве в том специальном случае, когда рассматриваемое пространство — пространство непрерывных функций на отрезке вещественной прямой. Названа в честь автора, Чезаре Арцела.

Альтернати́ва Фредго́льма — совокупность теорем Фредгольма о разрешимости интегрального уравнения Фредгольма второго рода.

Изопериметри́ческое нера́венство — геометрическое неравенство, связывающее периметр замкнутой кривой на плоскости и площадь участка плоскости, ограниченной этой кривой. Этот термин также используется для различных обобщений данного неравенства.

Языки Арнольда — в теории динамических систем, области рациональности числа вращения в двупараметрическом семействе гомеоморфизмов окружности, начинающемся с чистых поворотов.

Теорема Сарда — теорема математического анализа с приложениями в дифференциальной геометрии и топологии, теории катастроф и теории динамических систем.

Многозначное отображение — разновидность математического понятия отображения (функции). Пусть $\text{[math]}$ и $\text{[math]}$ — произвольные множества, а $\text{[math]}$ — совокупность всех подмножеств множества $\text{[math]}$ Многозначным отображением из множества $\text{[math]}$ в $\text{[math]}$ называется всякое отображение $\text{[math]}$ Обычно областью определения многозначного отображения $\text{[math]}$ является подмножество $\text{[math]}$ , а областью значений — пространство $\text{[math]}$ состоящее из непустых компактных подмножеств множества $\text{[math]}$ то есть $\text{[math]}$

Пример 1. Пусть $\text{[math]}$ . Ставя в соответствие каждому значению $\text{[math]}$ отрезок $\text{[math]}$ мы получаем многозначное отображение $\text{[math]}$

Пример 2. Пусть $\text{[math]}$ — непрерывная функция. Положим $\text{[math]}$ и $\text{[math]}$ Ставя в соответствие каждому значению $\text{[math]}$ множество $\text{[math]}$ мы получаем многозначное отображение $\text{[math]}$

Пример 3. Контингенция и паратингенция.

Пропагатор в квантовой механике и квантовой теории поля (КТП) — функция, характеризующая распространение релятивистского поля от одного акта взаимодействия до другого. Эта функция определяет амплитуду вероятности перемещения частицы из одного места пространства в другое за заданный промежуток времени или перемещения частицы с определённой энергией и импульсом. Для расчёта частоты столкновений в КТП используются виртуальные частицы, представленные в диаграммах Фейнмана пропагаторами, вносят свой вклад в вероятность рассеяния, описываемого соответствующей диаграммой. Их также можно рассматривать как оператор, обратный волновому оператору, соответствующему частице, и поэтому их часто называют (причинными) функциями Грина.

Про́бит-регрессия — применяемая в различных областях статистическая (нелинейная) модель и метод анализа зависимости качественных переменных от множества факторов, основанная на нормальном распределении. В экономике (эконометрике) пробит-модели используются в моделях бинарного выбора или в моделях множественного выбора между различными альтернативами, для моделирования дефолтов компаний, в страховании жизни - для оценки вероятности смерти в зависимости от возраста и пола и т. д. В токсикологии пробит-регрессия используется для оценки влияния дозы или концентрации тех или иных веществ на биологические объекты.

Лемма Шепли — Фолкмана связывает две операции выпуклой геометрии — сложение по Минковскому и выпуклую оболочку. Лемма имеет приложения в ряде дисциплин, в том числе в математической экономике, оптимизации и теории вероятностей. Лемма и связанные с ней результаты позволяют дать утвердительный ответ на вопрос «Близка ли к состоянию выпуклости сумма нескольких множеств?».

Теорема Сохоцкого — Племеля — теорема в комплексном анализе, которая помогает в оценке определенных интегралов. Версия для вещественной прямой часто используется в физике, хотя и редко называется по имени. Теорема названа в честь Юлиана Сохоцкого, который доказал её в 1868 году, и Иосифа Племеля, который заново открыл её в качестве основного ингредиента своего решения задачи Римана — Гильберта в 1908 году.

Радиальная базисная функция (РБФ) — функция из набора однотипных радиальных функций, используемых как функция активации в одном слое искусственной нейронной сети или как-либо ещё, в зависимости от контекста. Радиальная функция — это любая вещественная функция, значение которой зависит только от расстояния до начала координат $\text{[math]}$ или от расстояния между некоторой другой точкой $\text{[math]}$ , называемой центром: $\text{[math]}$ . В качестве нормы обычно выступает евклидово расстояние, хотя можно использовать и другие метрики.

Лемма регулярности Семереди — лемма из общей теории графов, утверждающая, что вершины любого достаточно большого графа можно разбить на конечное число групп таких, что почти во всех двудольных графах, соединяющих вершины из двух разных групп, рёбра распределены между вершинами почти равномерно. При этом минимальное требуемое количество групп, на которые нужно разбить множество вершин графа, может быть сколь угодно большим, но количество групп в разбиении всегда ограничено сверху.

Цена стабильности для игры — отношение оптимального значения целевой функции в одном из её равновесных состояний и оптимального исхода. Цена стабильности имеет смысл для игр, которые имеют некую высшую силу или условия игры, которые каким-либо образом влияют на положение игроков и могут помочь им сойтись к равновесию Нэша. При измерении эффективности равновесия Нэша в какой-либо игре имеет смысл рассматривать и цену анархии.

Множество Мейера или почти решётка – это относительно плотное множество X точек в евклидовой плоскости или евклидовом пространстве большей размерности, такое что его разность Минковского с собой равномерно дискретна. Множества Мейера имеют несколько эквивалентных описаний и названы именем Ива Мейера, который ввёл их и начал изучать в контексте диофантовых приближений. В современное время множества Мейера больше известны как математическая модель квазикристаллов, однако работа Мейера предваряла открытие квазикристаллов более чем на десятилетие и полностью была вдохновлена вопросами теории чисел.

Эта страница основана на статье Википедии.
Текст доступен на условиях лицензии CC BY-SA 4.0; могут применяться дополнительные условия.
Изображения, видео и звуки доступны по их собственным лицензиям.