Fixpunkt (Mathematik)

In d​er Mathematik versteht m​an unter e​inem Fixpunkt e​inen Punkt, d​er durch e​ine gegebene Abbildung a​uf sich abgebildet wird. Ein Beispiel: Die Fixpunkte e​iner Achsenspiegelung s​ind die Punkte d​er Spiegelachse. Eine Punktspiegelung h​at nur e​inen Fixpunkt, nämlich d​eren Zentrum.

Darstellung eines Fixpunktes. Dieser ist – nach den im Text wiedergegebenen Kriterien – anziehend, das heißt stabil.

Definition

Sei ${\displaystyle X}$ eine Menge und ${\displaystyle f\colon X\to X}$ eine Funktion. Dann heißt ein Punkt ${\displaystyle x\in X}$ Fixpunkt, falls er die Gleichung ${\displaystyle f(x)=x}$ erfüllt.

Anmerkungen

• Ist ${\displaystyle f\colon X\to X}$ eine lineare Abbildung auf dem Vektorraum ${\displaystyle X}$, dann nennt man die Fixpunkte von ${\displaystyle f}$ auch Fixvektoren. Da jede lineare Abbildung den Nullvektor auf sich selbst abbildet, ist der Nullvektor immer ein Fixvektor. Wenn es neben dem Nullvektor noch weitere Fixvektoren gibt, so sind diese Eigenvektoren von ${\displaystyle f}$ bezüglich des Eigenwerts 1.
• Für eine nichtlineare Abbildung ist die dazugehörige Fixpunktgleichung ein Beispiel für eine nichtlineare Gleichung.
• Jede Fixpunktgleichung ${\displaystyle f(x)=x}$ lässt sich in eine Nullstellengleichung ${\displaystyle g(x)=0}$ umschreiben, indem man beispielsweise ${\displaystyle g(x)=f(x)-x}$ setzt. Ebenso lässt sich jede Nullstellengleichung ${\displaystyle g(x)=0}$ in eine Fixpunktgleichung ${\displaystyle f(x)=x}$ überführen, indem man z. B. ${\displaystyle f(x)=x+g(x)}$ setzt. So lassen sich zumindest theoretisch Verfahren zum Lösen einer der beiden Gleichungsformen auch für die jeweils andere verwenden.

Fixpunkte in der Numerik

Darüber hinaus gilt folgendes: Der Fixpunkt ist stabil bzw. instabil, wenn ${\displaystyle \left|f{}'(x)\right|}$, der Betrag der Ableitung der betrachteten Funktion, im Schnittpunkt ${\displaystyle <1}$ bzw. ${\displaystyle >1}$ ist. Dies bedeutet, dass man die Funktion auf den Punkt selbst anwenden kann, ohne ihn zu verändern, wobei eine Störung wenig (bzw. viel) ändert, indem sie zum Fixpunkt hinführt (bzw. vom Fixpunkt wegführt).

Mit dem Fixpunktproblem verwandt ist das Problem der „iterierten Abbildungen“, das in der Numerik und der Chaosforschung wichtig ist. Mit einem vorgegebenen Anfangswert ${\displaystyle x_{1}}$ beginnend, springt man hier nach dem Schema ${\displaystyle x_{n+1}=f(x_{n})}$ treppenartig zwischen der Funktion ${\displaystyle f(x)}$ und der Diagonale hin und her, und zwar zum Fixpunkt hin oder weg von ihm, je nachdem ob der Fixpunkt stabil oder instabil ist. Einzelheiten sind u. a. dem unten angegebenen Buch von H.G. Schuster[1] zu entnehmen.

Beispiele

• Die Parabelfunktion ${\displaystyle f\colon \mathbb {R} \to \mathbb {R} }$, die durch ${\displaystyle f(x)=x^{2}}$ gegeben ist, hat die zwei Fixpunkte 0 (stabil) und 1 (instabil).
• Sei ${\displaystyle V}$ ein Vektorraum und ${\displaystyle \operatorname {Id} \colon V\to V}$ die identische Abbildung, also die Abbildung mit ${\displaystyle \operatorname {Id} x=x}$, dann sind alle ${\displaystyle x\in V}$ Fixpunkte (bzw. Fixvektoren).
• Sei ${\displaystyle {\mathcal {S}}}$ der Schwartz-Raum und ${\displaystyle {\mathcal {F}}\colon {\mathcal {S}}\to {\mathcal {S}}}$ die kontinuierliche Fourier-Transformation. Für die Dichtefunktion ${\displaystyle \varphi (x)={\tfrac {1}{{\sqrt {2\pi }}^{n}}}\cdot e^{-{\tfrac {1}{2}}x^{2}}}$ der ${\displaystyle n}$-dimensionalen Normalverteilung gilt ${\displaystyle {\mathcal {F}}(\varphi )=\varphi }$. Daher ist die Dichtefunktion der Normalverteilung ein Fixpunkt der Fourier-Transformation.
• Das Newton-Verfahren ${\displaystyle x_{n+1}=x_{n}-{\tfrac {f(x_{n})}{f'(x_{n})}}}$ entspricht der Fixpunktgleichung ${\displaystyle g(x)=x-{\tfrac {f(x)}{f'(x)}}\,}$.

Raum mit Fixpunkteigenschaft

Definition

Ein topologischer Raum ${\displaystyle X}$ besitzt die Fixpunkteigenschaft, falls jede stetige Abbildung ${\displaystyle f\colon X\to X}$ einen Fixpunkt hat.[2]

Beispiele

• Die Sphäre ${\displaystyle S^{n}}$ besitzt die Fixpunkteigenschaft nicht, denn die Punktspiegelung am Mittelpunkt hat keinen Fixpunkt.
• Eine Vollkugel ${\displaystyle D^{n}}$ hat die Fixpunkteigenschaft. Dies besagt der Fixpunktsatz von Brouwer.

Fixpunktsätze

→ Hauptartikel: Fixpunktsatz

Die Existenz von Fixpunkten ist Gegenstand einiger wichtiger mathematischer Sätze. Der Banach'sche Fixpunktsatz besagt, dass eine Kontraktion eines vollständigen metrischen Raumes genau einen Fixpunkt besitzt. Wenn eine Selbstabbildung nur stetig ist, muss der Fixpunkt nicht eindeutig sein und andere Fixpunktsätze zeigen dann nur die Existenz. Dabei stellen sie meist stärkere Voraussetzungen an den Raum, auf dem die Funktion definiert ist. Beispielsweise zeigt der Fixpunktsatz von Schauder die Existenz eines Fixpunktes in einer kompakten, konvexen Teilmenge eines Banachraums. Dieser Satz ist eine Verallgemeinerung des Fixpunktsatzes von Brouwer, der besagt, dass jede stetige Abbildung der abgeschlossenen Einheitskugel in sich selbst einen Fixpunkt besitzt. Im Gegensatz zu den beiden anderen Sätzen gilt dieser allerdings nur in endlichdimensionalen Räumen, also im ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ oder im ${\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}$.

Der Fixpunktsatz von Banach liefert außerdem die Konvergenz und eine Fehlerabschätzung der Fixpunkt-Iteration ${\displaystyle x_{n+1}=f(x_{n})}$ im betrachteten Raum. Dieser Satz ergibt somit ein konkretes numerisches Verfahren zur Berechnung von Fixpunkten.

Siehe auch

• Fixgerade
• Fixpunktgerade
• Autonome Differentialgleichung für Fixpunkte in der qualitativen Theorie gewöhnlicher Differentialgleichungen
• Hyperbolischer Fixpunkt

Literatur

• Vasile I. Instrăţescu: Fixed Point Theory. An Introduction (= Mathematics and its Applications. Bd. 7). D. Reidel, Dordrecht u. a. 1981, ISBN 90-277-1224-7.

Einzelnachweise

1. Heinz Georg Schuster: Deterministisches Chaos. Eine Einführung. VCH, Weinheim u. a. 1994, ISBN 3-527-29089-3.
2. Ilka Agricola, Thomas Friedrich: Vektoranalysis. Differentialformen in Analysis, Geometrie und Physik. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1016-8, S. 36.