Il teorema delle contrazioni
La costante di Lipschtz di una funzione fornisce una misura di quanto essa dilati le distanze tra i punti di . Se tale costante è strettamente minore di , avvicina i punti e quindi viene detta una contrazione.
Questa proprietà di contrazione, avvicinando punti inizialmente più distanti, suggerisce l’idea intuitiva che, partendo da un punto e applicandovi ripetutamente , la successione ottenuta tenda a stabilizzarsi. Se l’insieme ha delle proprietà di chiusura, essa tenderà a un elemento che risulta essere un punto fisso di , ossia tale che . Tale punto fisso è inoltre unico.
Il teorema delle contrazioni, dovuto ai matematici Stefan Banach (1892-1945) e Renato Caccioppoli (1904-1959), formalizza questa idea ed è quindi un fondamentale criterio per stabilire l’esistenza di punti fissi tra particolari spazi metrici.
In questo articolo forniamo la classica dimostrazione costruttiva del teorema, con uno sguardo a una sua leggera generalizzazione. Se desideri approfondire questo importante strumento dell’Analisi Matematica, non ti resta che continuare la lettura!
Consigliamo i seguenti articoli di esercizi:
- Esercizi teorici sulla continuità;
- Funzioni continue – esercizi;
- Esercizi sulla continuità uniforme – volume 1;
- esercizi sulla continuità uniforme – volume 2.
Segnaliamo inoltre i seguenti articoli sulla teoria collegata, dei quali è possibile reperire una lista completa alla fine dell’articolo:
- Funzioni continue – Teoria;
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- Il teorema della permanenza del segno;
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- Il teorema di esistenza degli zeri.
Autori e revisori
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Revisore: Valerio Brunetti.
Introduzione
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In queste note ci occupiamo di un noto teorema di analisi matematica: il Teorema di punto fisso di Banach-Caccioppoli, o Teorema delle Contrazioni, un importante strumento nella teoria degli spazi metrici; garantisce l’esistenza e l’unicità di un punto fisso per determinate mappe di spazi metrici su sé stessi, e la sua dimostrazione fornisce un metodo costruttivo per trovarli. Il teorema prende il nome da Stefan Banach (1892-1945) e da Renato Caccioppoli (1904-1959), ed è stato formulato la prima volta da Banach nel 1922. Caccioppoli giungerà autonomamente a questo risultato nel 1931. In breve, il teorema afferma che una contrazione, ovvero una funzione che soddisfa una particolare proprietà, avente come dominio e codominio lo stesso spazio metrico ammette sempre almeno un punto fisso, ovvero un punto che viene mappato in sé stesso. Inoltre, se lo spazio metrico è completo, il punto fisso è unico. Ricordiamo che è possibile immaginare una funzione che mappa un insieme in sé stesso come una trasformazione spaziale dell’insieme. In quest’ottica, il teorema afferma che dato uno spazio metrico e una contrazione su di esso, allora esiste almeno un punto che non viene spostato dalla trasformazione e che rimane dunque fermo nella sua posizione iniziale. Tra i vari risultati notevoli circa l’esistenza di punti fissi citiamo solamente il teorema del punto fisso di Brouwer, il quale permette, ad esempio, di dimostrare che ci sono almeno due punti sulla terra con la stessa temperatura, oppure che mescolando una tazzina di caffè ci sarà almeno un punto che si trova nella stessa posizione iniziale. Nel seguito lavoriamo prima con uno spazio metrico semplice, ovvero l’insieme dei numeri reali. Gli enunciati e le relative dimostrazioni date in termini di valore assoluto saranno poi generalizzate utilizzando la nozione di distanza negli spazi metrici.
Contrazioni
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Partiamo dalla definizione di una contrazione.
Osserviamo che una contrazione è necessariamente una funzione continua, in quanto ogni funzione Lipschitziana lo è. La definizione più generale di contrazione, valida per spazi metrici, può essere riscritta nel modo seguente.
Possiamo pensare a una contrazione come una funzione che mappa uno spazio metrico in se stesso con la proprietà che presi due punti qualunque e , se consideriamo le loro immagini noteremo che si sono avvicinati rispetto alla distanza iniziale tra e .
Un esempio estremamente semplice di contrazione è la funzione per qualunque definita su tutto infatti
Teorema delle contrazioni
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Possiamo finalmente enunciare e dimostrare il suddetto teorema. Per capire la dimostrazione avremo bisogno di uno degli strumenti classici dell’analisi: la nozione di successione di Cauchy e la sua convergenza su insiemi chiusi (o in generale in spazi metrici completi). Partiamo dall’enunciato del teorema.
In altri termini ogni contrazione definita su uno spazio metrico completo ammette uno e un solo punto fisso.
Dimostrazione. Unicità. Supponiamo per il momento che esista almeno un punto fisso e dimostriamone l’unicità. Se per assurdo esistessero due punti fissi tale che e , allora
Dividendo i membri della disuguaglianza per otteniamo ovvero contro l’ipotesi iniziale che fosse una contrazione. Abbiamo trovato dunque un assurdo dovuto al fatto che avevamo supposto l’esistenza di due punti fissi diversi: se tale punto fisso esiste deve essere unico.
Esistenza. Fissiamo arbitrariamente un e definiamo ricorsivamente la successione come ovvero
dove indichiamo con la composizione di con se stessa volte. Allo stesso modo, utilizzando il fatto che è una contrazione abbiamo:
Continuando in questo modo, otteniamo per induzione
da cui segue che è una successione di Cauchy. Infatti, tale che per ogni possiamo usare la disuguaglianza triangolare per ottenere
utilizzando la formula per il calcolo delle somme parziali della serie geometrica otteniamo che
Dal fatto che deduciamo che l’ultima espressione è piccola a piacere, ovvero minore di un qualunque a patto di prendere , con abbastanza grande.
Dato che è una successione di Cauchy e è per ipotesi un intervallo chiuso, sappiamo che tale che
A questo punto, dal fatto che le contrazioni sono funzioni continue concludiamo
in quanto abbiamo già osservato che . Ricordando che e che abbiamo:
cioè che è un punto fisso per la contrazione .
Finiamo con una piccola generalizzazione del teorema precedente.
Dimostrazione. Osserviamo in maniera preliminare che se avesse un punto fisso, questo dovrebbe essere necessariamente unico in quanto ogni punto fisso di è anche un punto fisso di che è una contrazione e che quindi, per il teorema precedente, ha un unico punto fisso. Per ipotesi è una contrazione ovvero esiste un punto tale che . Applicando a entrambi i membri otteniamo
ma questo significa è un punto fisso per la contrazione . Ma nel teorema precedente abbiamo dimostrato che esiste un unico punto fisso per cui deve valere che i due punti fissi sono in realtà lo stesso ovvero che che è proprio quello che volevamo dimostrare.
L’applicazione più nota del Teorema delle Contrazioni è nella dimostrazione del Teorema di Picard-Lindelöf riguardo l’esistenza e l’unicità di soluzioni di determinate equazioni differenziali ordinarie. La soluzione cercata è espressa come un punto fisso di un opportuno operatore integrale che trasforma funzioni continue in funzioni continue. Il teorema del punto fisso di Banach-Caccioppoli è quindi usato per mostrare che questo operatore integrale ha un unico punto fisso. Un’altra importante applicazione è il teorema della funzione implicita in spazi di Banach.
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