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Teorema del punto fijo de Brouwer

1911
  • L. E. J. Brouwer
Matemático demostrando el teorema del punto fijo de Brouwer con un mapa arrugado en un despacho.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Este teorema establece que para cualquier función continua [latex]f[/latex] que mapea un conjunto convexo compacto a sí mismo, existe un punto [latex]x_0[/latex] tal que [latex]f(x_0) = x_0[/latex]. Este punto se denomina punto fijo. Informalmente, si tomamos un mapa de un país, lo arrugamos y lo colocamos dentro de las fronteras del país, siempre habrá al menos un punto en el mapa directamente encima de su ubicación correspondiente en el mundo real.

El teorema del punto fijo de Brouwer es una piedra angular de la teoría del punto fijo y tiene profundas implicaciones en muchas áreas de las matemáticas. El teorema se aplica a cualquier función continua [latex]f: D^n to D^n[/latex], donde [latex]D^n[/latex] es la bola unitaria cerrada n-dimensional. La demostración no es constructiva; garantiza la existencia de un punto fijo, pero no proporciona un método para encontrarlo. La demostración para [latex]n=1[/latex] es una simple consecuencia del Teorema del Valor Intermedio. Para dimensiones superiores, la demostración es más compleja y generalmente se basa en herramientas de la topología algebraica, como la homología o el concepto de grado de una aplicación. Una estrategia de demostración común utiliza un argumento de retracción. Este asume, por contradicción, que una función continua [latex]f: D^n to D^n[/latex] no tiene punto fijo. Se puede entonces construir una función continua (una retracción) [latex]r: D^n to S^{n-1}[/latex] desde el disco hasta su esfera frontera, lo cual se puede demostrar que es imposible. El poder del teorema reside en su generalidad; solo requiere continuidad de la función y compacidad y convexidad del dominio, lo que lo hace aplicable a una amplia gama de problemas donde se necesita demostrar la existencia de una solución o un estado de equilibrio.

UNESCO Nomenclature: 1209
- Topología

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Sustancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Teorema del valor intermedio de Bolzano y Cauchy
  • Teoremas de existencia de Poincaré y Bohl
  • Desarrollo de la topología algebraica por Henri Poincaré
  • El trabajo de Jacques Hadamard sobre problemas relacionados

Aplicaciones

  • teoría de juegos (demostración de la existencia de equilibrios de Nash)
  • economía (teoría del equilibrio general)
  • gráficos por ordenador (cálculo de transformaciones de objetos)
  • análisis numérico (búsqueda de raíces de ecuaciones)
  • teoría del control

Patentes:

NA

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Relacionado con: teorema del punto fijo, Brouwer, función continua, conjunto compacto, conjunto convexo, equilibrio de Nash, teoría de juegos, topología algebraica.

Contexto histórico

Teorema del punto fijo de Brouwer

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1900
1903
1914
1924
1925
1930

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

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