stringtranslate.com

Итерированная функция

Итерационные преобразования объекта слева.
Сверху — поворот по часовой стрелке на 90°. Он имеет порядок 4, потому что это наименьший положительный показатель степени, который дает тождество. Ниже показано отображение сдвига с бесконечным порядком.
Ниже приведены их композиции , обе имеют порядок 3.

В математике итерированная функция — это функция, которая получается путем составления другой функции сама с собой два или несколько раз. Процесс многократного применения одной и той же функции называется итерацией . В этом процессе, начиная с некоторого исходного объекта, результат применения данной функции снова подается в функцию в качестве входных данных, и этот процесс повторяется.

Например, на изображении справа:

Итерированные функции изучаются в информатике , фракталах , динамических системах , математике и физике ренормгрупп .

Определение

Далее следует формальное определение итерированной функции на множестве X.

Пусть X — множество, а f : XXфункция .

Определение f n как n -й итерации f (обозначение, введенное Гансом Генрихом Бюрманом [ нужна ссылка ] и Джоном Фредериком Уильямом Гершелем [1] [2] [3] [4] ), где n — неотрицательное целое число , к:

где id Xтождественная функция на X , а ( f g )( x ) = f ( g ( x )) обозначает композицию функций .

Поскольку обозначение f n может относиться как к итерации (композиции) функции f , так и к возведению в степень функции f (последнее обычно используется в тригонометрии ) , некоторые математики предпочитают использовать ∘ для обозначения композиционного значения, записывая f n ( x ) для n -й итерации функции f ( x ) , как, например, f ∘3 ( x ) что означает f ( f ( f ( x ))) . С той же целью f [ n ] ( x ) использовал Бенджамин Пирс [5] [4] [nb 1] , тогда как Альфред Прингшейм и Жюль Молк вместо этого предложили n f ( x ) . [6] [4] [количество 2]

Абелевое свойство и итерационные последовательности

В общем, для всех неотрицательных целых чисел m и n справедливо следующее тождество :

Это структурно идентично свойству возведения в степень , что a m a n = a m + n .

Вообще, для произвольных общих (отрицательных, нецелых и т. д.) индексов m и n это соотношение называется функциональным уравнением сдвига , ср. Уравнение Шредера и уравнение Абеля . В логарифмическом масштабе это сводится к свойству вложения полиномов Чебышева T m ( T n ( x )) = T m n ( x ) , поскольку T n ( x ) = cos ( n arccos ( x )) .

Соотношение ( f m ) n ( x ) = ( f n ) m ( x ) = f mn ( x ) также имеет место, аналогично свойству возведения в степень, что ( a m ) n = ( a n ) m = a mn .

Последовательность функций f n называется последовательностью Пикара , [7] [8] названной в честь Шарля Эмиля Пикара .

Для данного x в X последовательность значений fn ( x ) называется орбитой x . _ _

Если fn ( x ) = fn + m ( x ) для некоторого целого числа m > 0 , орбита называется периодической орбитой . Наименьшее такое значение m для данного x называется периодом орбиты . Сама точка x называется периодической точкой . Проблема обнаружения цикла в информатике — это алгоритмическая проблема поиска первой периодической точки на орбите и периода орбиты.

Фиксированные точки

Если x = f ( x ) для некоторого x из X (то есть период орбиты x равен 1 ), то x называется неподвижной точкой итерированной последовательности. Набор фиксированных точек часто обозначается как Fix ( f ) . Существует ряд теорем о неподвижной точке , которые гарантируют существование неподвижных точек в различных ситуациях, включая теорему Банаха о неподвижной точке и теорему Брауэра о неподвижной точке .

Существует несколько методов ускорения сходимости последовательностей, создаваемых итерациями с фиксированной точкой . [9] Например, метод Эйткена , примененный к повторяющейся фиксированной точке, известен как метод Стеффенсена и обеспечивает квадратичную сходимость.

Ограничивающее поведение

После итерации можно обнаружить, что существуют множества, которые сжимаются и сходятся к одной точке. В таком случае точка, к которой сходится, называется притягивающей фиксированной точкой . И наоборот, итерация может создать впечатление, что точки расходятся от одной точки; это было бы в случае нестабильной фиксированной точки . [10]

Когда точки орбиты сходятся к одному или нескольким пределам, набор точек накопления орбиты известен как предельный набор или ω-предельный набор .

Идеи притяжения и отталкивания обобщаются аналогичным образом; можно разделить итерации на стабильные множества и нестабильные множества в соответствии с поведением небольших окрестностей при итерации. Также см. бесконечные композиции аналитических функций .

Возможны и другие ограничивающие модели поведения; например, блуждающие точки — это точки, которые удаляются и никогда не возвращаются даже близко к тому месту, где они начали.

Инвариантная мера

Если рассматривать эволюцию распределения плотности, а не динамику отдельных точек, то предельное поведение задается инвариантной мерой . Его можно представить как поведение облака точек или облака пыли при повторяющихся итерациях. Инвариантная мера является собственным состоянием оператора Рюэля-Фробениуса-Перрона или оператора переноса , соответствующего собственному значению, равному 1. Меньшие собственные значения соответствуют нестабильным, распадающимся состояниям.

В общем, поскольку повторная итерация соответствует сдвигу, оператору переноса и сопряженному с ним оператору Купмана можно интерпретировать как действие операторов сдвига на пространстве сдвига . Теория подсдвигов конечного типа дает общее представление о многих итерированных функциях, особенно о тех, которые приводят к хаосу.

Дробные итерации и потоки, а также отрицательные итерации

g : RR — тривиальный функциональный корень пятой степени из f : R +R + , f ( x ) = sin( x ) . Показановычисление f ( π6 ) = 12 = g 5 ( π6 ).

Понятие f 1/ n следует использовать с осторожностью, когда уравнение g n ( x ) = f ( x ) имеет несколько решений, что обычно имеет место, как в уравнении Бэббиджа функциональных корней тождественного отображения. Например, для n = 2 и f ( x ) = 4 x − 6 , g ( x ) = 6 − 2 x и g ( x ) = 2 x − 2 являются решениями; поэтому выражение f 1/2 ( x ) не обозначает уникальную функцию, точно так же, как числа имеют несколько алгебраических корней. Проблема очень похожа на выражение « 0/0 » в арифметике. Тривиальный корень f всегда можно получить, если область определения f можно достаточно расширить, ср. картина. Обычно выбираются корни, принадлежащие изучаемой орбите.

Можно определить дробную итерацию функции: например, полуитерация функции f это функция g такая, что g ( g ( x )) = f ( x ) . [11] Эту функцию g ( x ) можно записать с использованием индексного обозначения как f 1/2 ( x ) . Аналогично, f 1/3 ( x ) — это функция, определенная так, что f 1/3 ( f 1/3 ( f 1/3 ( x ))) = f ( x ) , а f 2/3 ( x ) может быть определяется как равный f 1/3 ( f 1/3 ( x )) и т. д., и все это основано на упомянутом ранее принципе, что f mf n = f m + n . Эту идею можно обобщить так, что количество итераций n становится непрерывным параметром , своего рода непрерывным «временем» непрерывной орбиты . [12] [13]

В таких случаях систему называют потоком ( см. раздел о сопряжении ниже).

Если функция биективна (и, следовательно, обладает обратной функцией), то отрицательные итерации соответствуют обратным функциям и их композициям. Например, f −1 ( x ) — это нормальная инверсия f , а f −2 ( x ) — инверсия, составленная сама с собой, т.е. f −2 ( x ) = f −1 ( f −1 ( x )) . Дробно-отрицательные итерации определяются аналогично дробно-положительным; например, f −1/2 ( x ) определяется так, что f −1/2 ( f −1/2 ( x )) = f −1 ( x ) , или, что то же самое, такое, что f −1/2 ( ж 1/2 ( Икс )) знак равно ж 0 ( Икс ) знак равно Икс .

Некоторые формулы для дробной итерации

Один из нескольких методов нахождения формулы ряда для дробной итерации с использованием фиксированной точки заключается в следующем. [14]

  1. Сначала определите неподвижную точку для функции такой, что f ( a ) = a .
  2. Определим f n ( a ) = a для всех n , принадлежащих действительным числам. В каком-то смысле это наиболее естественное дополнительное условие, которое можно наложить на дробные итерации.
  3. Разложите f n ( x ) вокруг фиксированной точки a как ряд Тейлора ,
  4. Расширить
  5. Замените f k ( a ) = a , для любого k ,
  6. Используйте геометрическую прогрессию для упрощения терминов.
    Существует особый случай, когда f '(a) = 1 ,

Это можно продолжать бесконечно, хотя и неэффективно, поскольку последние условия становятся все более сложными. Более систематическая процедура описана в следующем разделе, посвященном сопряжению .

Пример 1

Например, установка f ( x ) = Cx + D дает фиксированную точку a = D /(1 − C ) , поэтому приведенная выше формула завершается просто

Пример 2

Найдите значение того, где это делается n раз (и, возможно, интерполированные значения, когда n не является целым числом). У нас есть ж ( Икс ) знак равно 2 Икс . Неподвижной точкой является a = f (2) = 2 .

Итак, положим x = 1 и f n (1) , развернутый вокруг значения фиксированной точки 2, тогда будет бесконечной серией,

nТетрацияf n (1) = n2a = f (4) = 4

Для n = −1 ряд вычисляет обратную функцию 2+ln х/пер. 2.

Пример 3

С помощью функции f ( x ) = x b разверните вокруг фиксированной точки 1, чтобы получить ряд

x ( b n ),

Сопряжение

Если f и g — две итерированные функции и существует гомеоморфизм h такой, что g = h −1fh , то f и g называются топологически сопряженными .

Очевидно, топологическая сопряженность сохраняется при итерации, поскольку g n  =  h −1  ○  f nh . Таким образом, если можно решить одну итерированную систему функций, у него также есть решения для всех топологически сопряженных систем. Например, карта палаток топологически сопряжена с логистической картой . В качестве частного случая, принимая f ( x ) = x  + 1 , можно получить итерацию g ( x ) = h −1 ( h ( x ) + 1) как

грамм п ( Икс ) знак равно час -1 ( час ( Икс ) +  п ) , для любой функции час .

Сделав замену x = h −1 ( y ) = φ ( y ) , получим

g ( φ ( y )) = φ ( y +1) — форма, известная как уравнение Абеля .

Даже в отсутствие строгого гомеоморфизма вблизи фиксированной точки, взятой здесь за точку x = 0, f (0) = 0, часто можно решить [15] уравнение Шредера для функции Ψ, что делает f ( x ) локально сопряжено с простым расширением, g ( x ) = f '(0) x , то есть

ж ( Икс ) знак равно Ψ -1 ( ж '(0) Ψ( Икс )) .

Таким образом, его итерационная орбита, или поток, при соответствующих условиях (например, f '(0) ≠ 1 ) представляет собой сопряженную орбиту монома,

Ψ −1 ( ж '(0) п Ψ( x )) ,

где n в этом выражении служит простым показателем степени: функциональная итерация сведена к умножению! Здесь, однако, показатель n больше не обязательно должен быть целым или положительным и представляет собой непрерывное «время» эволюции для полной орбиты: [ 16] моноид последовательности Пикара (ср. Полугруппа преобразований ) обобщился до полной непрерывной группа . [17]

Итерирует функцию синуса ( синяя ) в первом полупериоде. Полуитерационный ( оранжевый ), т. е. функциональный квадратный корень синуса; функциональный квадратный корень из этого, четверть итерации (черный) над ним; и дальнейшие дробные итерации до 1/64. Функции под ( синим ) синусом представляют собой шесть целочисленных итераций ниже него, начиная со второй итерации ( красной ) и заканчивая 64-й итерацией. Зеленый треугольник конверта представляет собой предельную нулевую итерацию, пилообразная функция служит отправной точкой, ведущей к синусоидальной функции . Пунктирная линия представляет собой отрицательную первую итерацию, т. е. обратную синусоиду (арксинус). (С сайта общей педагогики. [18] Обозначения см. в [2].)

Этот метод (пертурбативное определение главной собственной функции Ψ, ср. матрица Карлемана ) эквивалентен алгоритму предыдущего раздела, хотя на практике является более мощным и систематическим.

Цепи Маркова

Если функция линейна и может быть описана стохастической матрицей , то есть матрицей, сумма строк или столбцов которой равна единице, то итерированная система известна как цепь Маркова .

Примеры

Есть много хаотичных карт . К хорошо известным итеративным функциям относятся множество Мандельброта и системы итерированных функций .

Эрнст Шрёдер [ 19] в 1870 году разработал специальные случаи логистического отображения , такие как хаотический случай f ( x ) = 4 x (1 − x ) , так что Ψ( x ) = arcsin( x ) 2 , следовательно, f n ( x ) = sin(2 n arcsin( x )) 2 .

Нехаотический случай, который Шредер также проиллюстрировал своим методом f ( x ) = 2 x (1 − x ) , дал Ψ ( x ) = −1/2ln(1 - 2 x ) и, следовательно, f n ( x ) = -1/2((1 - 2 Икс ) 2 п - 1) .

Если fдействие элемента группы на множество, то итерированная функция соответствует свободной группе .

Большинство функций не имеют явных общих выражений в замкнутой форме для n -й итерации. В таблице ниже перечислены некоторые [19], которые это делают. Обратите внимание, что все эти выражения действительны даже для нецелых и отрицательных n , а также для неотрицательных целых n .

Примечание: эти два особых случая ax 2 + bx + c — единственные случаи, которые имеют решение в замкнутой форме. Выбор b = 2 = – a и b = 4 = – a соответственно, еще больше сводит их к нехаотичным и хаотичным логистическим случаям, обсуждавшимся перед таблицей.

Некоторые из этих примеров связаны между собой простыми сопряжениями.

Средства обучения

Итерированные функции можно изучать с помощью дзета-функции Артина – Мазура и трансфер-операторов .

В информатике

В информатике итерированные функции встречаются как частный случай рекурсивных функций , которые, в свою очередь, закрепляют изучение таких широких тем, как лямбда-исчисление , или более узких, таких как денотатационная семантика компьютерных программ.

Определения в терминах итерированных функций

Два важных функционала можно определить в терминах итерированных функций. Это суммирование :

и эквивалентный продукт:

Функциональная производная

Функциональная производная итерированной функции задается рекурсивной формулой:

Уравнение передачи данных Лия

Итерированные функции возникают при разложении в ряд комбинированных функций, таких как g ( f ( x )) .

Учитывая скорость итерации или бета-функцию (физика) ,

для n- й итерации функции f имеем [21]

Например, для жесткой адвекции, если f ( x ) = x + t , то v ( x ) = t . Следовательно, g ( x + t ) = exp( t ∂/∂ x ) g ( x ) , действие оператора простого сдвига .

И наоборот, можно указать f ( x ) для произвольного v ( x ) с помощью общего уравнения Абеля , обсуждавшегося выше:

где

Это видно, если отметить, что

Тогда для непрерывного индекса итерации t , теперь записанного в виде нижнего индекса, это равнозначно знаменитой экспоненциальной реализации Ли непрерывной группы:

Начальной скорости потока v достаточно для определения всего потока, учитывая эту экспоненциальную реализацию, которая автоматически обеспечивает общее решение функционального уравнения перевода , [22]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а f ( n ) принимается за n- ю производную
  2. ^ Обозначение n f ( x ) Альфреда Прингсхайма и Жюля Молка (1907) для обозначения функциональных композиций не следует путать с обозначением n x Рудольфа фон Биттера Рюкера (1982) , введенным Гансом Маурером (1901) и Рубеном. Луи Гудстейн (1947) для тетрации или с преднадстрочной записью n x Дэвида Паттерсона Эллермана (1995) для корней .

Рекомендации

  1. ^ Гершель, Джон Фредерик Уильям (1813) [1812-11-12]. «О замечательном применении теоремы Котса». Философские труды Лондонского королевского общества . Лондон: Лондонское королевское общество , напечатано W. Bulmer and Co., Кливленд-Роу, Сент-Джеймс, продано Г. и У. Николом, Pall-Mall. 103 (Часть 1): 8–26 [10]. дои : 10.1098/rstl.1813.0005 . JSTOR  107384. S2CID  118124706.
  2. ^ Гершель, Джон Фредерик Уильям (1820). «Часть III. Раздел I. Примеры прямого метода разностей». Сборник примеров приложений исчисления конечных разностей . Кембридж, Великобритания: Отпечатано Дж. Смитом, продано компанией J. Deighton & sons. С. 1–13 [5–6]. Архивировано из оригинала 04 августа 2020 г. Проверено 4 августа 2020 г.[1] (Примечание. Здесь Гершель ссылается на свою работу 1813 года и упоминает более старую работу Ганса Генриха Бюрмана .)
  3. ^ Пеано, Джузеппе (1903). Formulaire mathématique (на французском языке). Том. IV. п. 229.
  4. ^ abc Каджори, Флориан (1952) [март 1929]. «§472. Степень логарифма / §473. Повторные логарифмы / §533. Обозначения Джона Гершеля для обратных функций / §535. Сохранение конкурирующих обозначений для обратных функций / §537. Степени тригонометрических функций». История математических обозначений. Том. 2 (3-е исправленное издание выпуска 1929 г., 2-е изд.). Чикаго, США: Издательская компания «Открытый суд» . стр. 108, 176–179, 336, 346. ISBN . 978-1-60206-714-1. Проверено 18 января 2016 г. […] §473. Повторные логарифмы […] Отметим здесь символику, использованную Прингсхаймом и Молком в их совместной статье в энциклопедии : « 2 log b a = log b (log b a ), …, k +1 log b a = log b ( k log b а )». [а] […] §533. Обозначения Джона Гершеля для обратных функций sin −1 x , tan −1 x и т. д. были опубликованы им в лондонском журнале Philosophical Transactions за 1813 год. Он говорит (стр. 10): «Эти обозначения потому . -1 e не следует понимать как 1/cos.e  , а то, что обычно пишут так, как arc (cos.= e )». Он признает, что некоторые авторы используют cos. m A вместо (cos.  A ) m , но он оправдывает свои собственные обозначения, указывая, что, поскольку d 2 x , Δ 3 x , Σ 2 x означают dd x , ΔΔΔ  x , ΣΣ  x , мы должны писать sin. 2 раза за грех. грех. х , лог. 3 х для журнала. бревно. бревно. Икс . Точно так же, как мы пишем d n  V=∫ n  V, мы можем аналогично написать sin. −1 x = дуга (sin.= x ), лог. −1 x .=c ​​x . Несколько лет спустя Гершель объяснил, что в 1813 году он использовал f n ( x ), f n ( x ), sin. −1 x и т. д., «как он тогда впервые предположил. Однако в течение этих нескольких месяцев ему стала известна работа немецкого аналитика Бурмана , в которой то же самое объясняется значительно раньше. Однако он [Бурман], похоже, не заметил удобства применения этой идеи к обратным функциям tan −1и т. д., и, похоже, он вообще не осознает обратного исчисления функций, которое оно порождает». Гершель добавляет: «Симметрия этого обозначения и, прежде всего, новые и наиболее обширные взгляды, которые оно открывает на природу аналитических операций. кажется, допускают его универсальное принятие». [b] […] §535. Сохранение конкурирующих обозначений для обратной функции. — […] Использование обозначений Гершеля претерпело небольшие изменения в книгах Бенджамина Пирса , чтобы устранить главное возражение. им; Пирс писал: «cos [−1] x » , «log [−1] x ». [c] […] §537. Степени тригонометрических функций. — Для обозначения, скажем, использовались три основных обозначения квадрат греха  x , а именно (sin  x ) 2 , sin  x 2 , sin 2 x . В настоящее время преобладающим обозначением является sin 2 x , хотя первое с наименьшей вероятностью будет неправильно истолковано. В случае sin 2 x два интерпретации напрашиваются сами собой: во-первых, sin  x · sin  x , во-вторых, [d] sin (sin  x ). Поскольку функции последнего типа обычно не проявляются, опасность неправильной интерпретации гораздо меньше, чем в случае log 2 x , где log  x · log  x и log (log  x ) часто встречаются в анализе. […] Обозначение sin n x для (sin  x ) n широко использовалось и в настоящее время является преобладающим. […](xviii+367+1 страница, включая 1 страницу дополнений) (Примечание. ISBN и ссылка на перепечатку 2-го издания Cosimo, Inc., Нью-Йорк, США, 2013 г.)
  5. ^ Пирс, Бенджамин (1852). Кривые, функции и силы . Том. Я (новая ред.). Бостон, США. п. 203.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  6. ^ Прингсхайм, Альфред ; Молк, Жюль (1907). Энциклопедия чистых и прикладных математических наук (на французском языке). Том. И. п. 195. Часть I.
  7. ^ Кучма, Марек (1968). Функциональные уравнения с одной переменной . Монография Математическая. Варшава: PWN – Польское научное издательство.
  8. ^ Кучма М., Хочевски Б. и Гер Р. (1990). Итерационные функциональные уравнения . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-35561-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  9. ^ Карлесон, Л.; Гамелен, TDW (1993). Сложная динамика . Университетский текст: Трактаты по математике. Спрингер-Верлаг. ISBN 0-387-97942-5.
  10. ^ Истратеску, Василе (1981). Теория неподвижной точки. Введение . Д. Рейдель, Голландия. ISBN 90-277-1224-7
  11. ^ «Нахождение f такого, что f(f(x))=g(x) по заданному g». MathOverflow .
  12. ^ Альдрованди, Р.; Фрейтас, LP (1998). «Непрерывная итерация динамических карт». Дж. Математика. Физ . 39 (10): 5324. arXiv : Physics/9712026 . Бибкод : 1998JMP....39.5324A. дои : 10.1063/1.532574. hdl : 11449/65519 . S2CID  119675869.
  13. ^ Берколайко, Г.; Рабинович, С.; Хэвлин, С. (1998). «Анализ представления Карлемана аналитических рекурсий». Дж. Математика. Анальный. Приложение . 224 : 81–90. дои : 10.1006/jmaa.1998.5986 .
  14. ^ "Тетратион.орг".
  15. ^ Кимура, Тосихуса (1971). «Об итерации аналитических функций», Funkcialaj Ekvacioj. Архивировано 26 апреля 2012 г. в Wayback Machine 14 , 197-238.
  16. ^ Куртрайт, TL ; Захос, СК (2009). «Профили эволюции и функциональные уравнения». Журнал физики А. 42 (48): 485208. arXiv : 0909.2424 . Бибкод : 2009JPhA...42V5208C. дои : 10.1088/1751-8113/42/48/485208. S2CID  115173476.
  17. ^ В качестве явного примера, пример 2 выше равен просто f n ( x ) = Ψ −1 ((ln 2) n Ψ( x )) для любого n , не обязательно целого числа, где Ψ является решением соответствующего уравнения Шредера. , Ψ( 2 Икс ) знак равно пер 2 Ψ( Икс ) . Это решение также является бесконечным m пределом ( f m ( x ) − 2)/(ln 2) m .
  18. ^ Куртрайт, TL Эволюционные поверхности и функциональные методы Шредера.
  19. ^ аб Шредер, Эрнст (1870). "Ueber iterirte Functionen". Математика. Анна . 3 (2): 296–322. дои : 10.1007/BF01443992. S2CID  116998358.
  20. ^ Брэнд, Луи, «Последовательность, определяемая разностным уравнением», American Mathematical Monthly 62 , сентябрь 1955 г., 489–492. В сети
  21. ^ Берксон, Э.; Порта, Х. (1978). «Полугруппы аналитических функций и операторы композиции». Мичиганский математический журнал . 25 : 101–115. дои : 10.1307/mmj/1029002009 . Куртрайт, ТЛ; Захос, СК (2010). «Хаотические карты, гамильтоновы потоки и голографические методы». Физический журнал A: Математический и теоретический . 43 (44): 445101. arXiv : 1002.0104 . Бибкод : 2010JPhA...43R5101C. дои : 10.1088/1751-8113/43/44/445101. S2CID  115176169.
  22. ^ Аксель, Дж. (2006), Лекции по функциональным уравнениям и их приложениям (Dover Books on Mathematics, 2006), гл. 6, ISBN 978-0486445236

Внешние ссылки