Stetigkeit Fixpunkt für offenes Intervall

Aufrufe: 1067     Aktiv: 20.06.2020 um 19:16

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Hallo, ich habe zum Thema Stetigkeit folgende Aufgabe bekommen:

ich habe gezeigt, dass f für abgeschlossene Intervalle einen Fixpunkt in f(x)=x hat aber ich frage mich wie kann ich dann jetzt zeigen dass f(x0)=x0? Und wieso ist dies nicht für ein offenes Intervall richtig?

 

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Betrachte die Funktion \( g: [-1,1] \to \mathbb{R} \) mit \( g(x)= f(x)-x \). Da \(f\) stetig ist, muss auch \(g\) stetig sein. Außerdem gilt \( g(-1) = f(-1) - (-1) \ge -1 + 1 = 0 \) und \( g(1) = f(1) - 1 \le 1 - 1 = 0\). Nach dem Zwischenwertsatz muss \(g\) also im Intervall \( [-1,1] \) eine Nullstelle haben, d.h. es gibt ein \( x_0 \in [-1,1] \) mit \( f(x_0) - x_0 = g(x_0) = 0 \) bzw. \( f(x_0) = x_0 \). \(f\) besitzt also einen Fixpunkt.

Betrachte beispielsweise die Funktion \(f: \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) mit \( f(x) = \frac{1}{2}(x+1)^2 - 1 \). Es gilt \( f^{\prime} (x) = x+1 > 0 \) für \(x > -1\), also ist \(f\) für \(x > -1\) streng monoton steigend und somit \( -1 = f(-1) < f(x) < f(1) = 1 \) für \(x \in (-1,1) \). \(f\) lässt sich also zu einer Funktion \(g: (-1,1) \to (-1,1), x \to f(x) \) einschränken. \(g\) ist offensichtlich stetig. Ein Fixpunkt von \(g\) würde nun eine Nullstelle des Polynoms \( p = \frac{1}{2}(x+1)^2 - x - 1 \) im Intervall \( (-1,1) \) liefern. Wegen \( deg(p) = 2 \) kann \(p\) nur zwei Nullstellen haben und diese sind \(-1\) und \(1\). Die Nullstellen von \(p\) liegen also nicht in \( (-1,1) \). Somit kann \(g\) keinen Fixpunkt haben.

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Vielen Dank! Habe alles bis zu den letzten paar Sätzen verstanden, aber wir haben noch keine Polynome gelernt. Lässt es sich auch auf einem anderen Weg zeigen, dass das offene Interval keinen Fixpunkt besitzt? Kann man eine beliebige Funktion betrachten, da du (im zweiten Abschnitt) gesagt hast: betrachte beispielsweise... mit f(x) = 1/2 (x+1)^2 <- lässt sich das hier frei wählen, oder hast du mit Absicht genau dieses Beispiel genommen?   ─   dennyza44 20.06.2020 um 18:25

Man kann nicht jede Funktion nehmen, da es auch Funktionen \( (-1,1) \to (-1,1) \) gibt, die einen Fixpunkt haben, zum Beispiel die Nullfunktion. Aber es gibt mehrere Möglichkeiten eine Funktion \( (-1,1) \to (-1,1) \) zu konstruieren, die keinen Fixpunkt hat. Mir ist noch ein einfaches Beispiel eingefallen: Betrachte die Funktion \( f: \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) mit \( f(x) = \frac{1}{2}(x-1) \). Es ist \( -1 = f(-1) < f(x) < f(1) = 0 \) für \(x \in (-1,1) \). Also lässt sich \(f\) zu einer Funktion \( g: (-1,1) \to (-1,1), x \to f(x) \) einschränken. \(g\) ist offensichtlich stetig. Ferner gilt \( \frac{1}{2}(x-1) = g(x)=x \Rightarrow x = -1 \notin (-1,1) \), also besitzt \(g\) keinen Fixpunkt.   ─   42 20.06.2020 um 19:14

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