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不动点定理 ​

基本定义

偏序集

定义(偏序集) 设 为一个集合, 为 上的二元关系。若满足:

  • 自反性

  • 反对称性

  • 传递性

则称 为一个偏序集 (partially ordered set, poset)。

上界与上确界

定义(上界) 设 ,。如果 ,则称 为 的上界。

定义(上确界) 若 是 的上界,且对任意上界 有 ,则称 为 的上确界 (least upper bound, or supremum),记作 。

类似地,可以定义下界与下确界。 的下确界用 表示。

完备格

定义(格) 偏序集 称为格,若任意 都存在上确界 和下确界 。

定义(完备格) 偏序集 称为完备格,若对任意子集 都存在 和 。 特别地,

分别称为最小元与最大元。

单调函数

定义(单调函数) 对于偏序集 ,函数 称为单调的,若

不动点

定义(不动点) 若 ,则称 为 的不动点。 记

Knaster–Tarski 不动点定理

定理(Knaster–Tarski 不动点定理) 设 为完备格, 为单调函数。则 的所有不动点 关于 也构成一个完备格,而且满足:

  • 存在最小不动点:
  • 存在最大不动点:

特别地,上述定理蕴含了 至少存在一个不动点,因为完备格至少包含一个元素。

证明

先证明 有最大元素。设 。完备格 的最小元素 满足 ,因此 ,因此 非空。

对任意 ,根据 的定义,我们有 。因为 是单调的,我们有 ,即 。

取 (因为 是完备格 的子集,所以 存在)。 对于任意 ,我们有 和 ,因此 。因此, 是 的一个上界,但 是 的最小上界,所以 ,即 。因为 ,所以 ,因此 ,从而得到 。因为每个不动点都在 中,所以 是 的最大不动点。

函数 在对偶(完备)格 上也是单调的。 因此,将上述证明应用在对偶格上,我们就能得到 的最小不动点存在。

综上所述, 有最小元素和最大元素,即每个完备格上的单调函数都有最小不动点和最大不动点。

我们知道:对于完备格 和任意 ,以 和 为界的闭区间 关于 也是一个完备格。

接下来需要证明 是一个完备格。对于任意 ,我们需要证明 中存在 的上确界。

设 ,。注意此处 是 在 中的上确界,而未必是我们要找的在 中的上确界,因为 可能不在 中(即 可能不是 的不动点)。我们接下来将会在 上寻找最小不动点 ,那么 就是 在 中的上确界。

我们证明 。 对于任意 ,我们有 。 因为 是 的上界,所以 ,由 的单调性得 ,所以 。

这说明 是 的一个上界。因为 是 的最小上界,所以 。

因此,对于任意 ,根据 和 的单调性,有 ,结合 ,我们得到 ,因此 。这说明了 。

于是我们可以将 看作是完备格 上的一个函数,因此它在该区间上存在一个最小不动点 , 这个 就是我们要找的 在 中的上确界。

有向集与 DCPO

有向集

定义(有向集) ,若 且 使 ,则称 为有向集。

DCPO

定义(DCPO) 偏序集 称为 DCPO (directed complete partial order),若对任意有向集 , 存在于 。

链

定义(链) 称为链,若 。

Scott 连续函数

定义(Scott 连续函数)

设 为偏序集,如果函数 将有向集映射为有向集且保持上确界,则称 是 Scott 连续的:

  • 对任意有向集 , 是有向集;
  • 对任意有向集 ,,其中 。

注意每个 DCPO 之间的 Scott 连续函数都是单调函数。Scott 连续性等价于由 Scott 拓扑引入的拓扑连续性。

Kleene 不动点定理

定理(Kleene 不动点定理) 设 为具有最小元 的 DCPO, 为 Scott 连续函数。定义序列:

则 构成递增链,并且

满足 ,即这个序列的上确界就是 的最小不动点。

证明

我们有以下的定向 -链:

的 Scott 连续性蕴含了 的单调性,因此 是一个递增链,因此 是一个有向集。

因为 是 DCPO, 中存在 的上确界 。接下来我们需要证明 是 的最小不动点。

一,证明 是一个不动点,即 。因为 是 Scott 连续的,所以 ,即 。又因为 ,而 不影响上确界的计算,所以 。因此 ,所以 是 的一个不动点。

二,证明 是最小不动点。我们接下来证明 的任意不动点都是 的上界。如果这个结论成立,那么 作为 的上确界(最小上界),就必然小于 的任意不动点,从而证明 是最小不动点。

使用数学归纳法证明。设 是 的一个不动点,我们证明对于任意 ,。

  • 奠基步骤 显然成立:,因为 是 的最小元素。
  • 归纳假设:假设 。归纳步骤:根据归纳假设和 的单调性,我们有 。又因为 是 的不动点,所以 ,因此 。