不動点反復法

Takami Torao
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不動点反復法 (fixed-point iteration) は、集合 からそれ自身への写像 が与えられたとき、方程式 の解を求めるための数値解析的手法。このとき 不動点 (fixed-point) と呼ぶ。初期値 から開始し、漸化式 を反復適用することで不動点への収束列を構成する。

定義と性質

集合 上の写像 に対し、 を満たす点 不動点または固定点と定義する。不動点反復法は、任意の初期値 に対して列を生成し、この列が収束する極限として不動点を近似的に求める手法である。

グラフ上では、連続関数 の不動点は曲線 と対角線 の交点の 座標である。また集合 上に群 が作用しているとき、どの に対しても となる をこの作用の不動点と言う。

Table of Contents

  1. 定義と性質
    1. 例1. 反復関数 の不動点
  2. 不動点定理
  3. 参照

実数で定義される関数 上の点 が与えられたとき、不動点反復法は以下の数列で表される。ここで は不動点 に収束することを期待する数列である。

の不動点近似を求める場合、 と変形し という漸化式とみなして数列化を行う。

  • 反復関数 がリプシッツ連続であり、リプシッツ定数が 1 より小さいと反復法は収束しやすい。

  • 初期値が適切でないと、習得しなかったり他の不動点に収束することがある。

  • 初期値の選び方により収束が遅くなることがあるため、収束の早さを改善するための工夫が必要になることがある。

不動点反復法はニューラルネットワークの学習 (RNN)、固有ベクトル・固有値の算出 (PageRank アルゴリズム)、変分オートエンコーダー (VAE)、EM アルゴリズム、線形回帰など、さまざまなアルゴリズムや最適化プロセスで使われている。

例1. 反復関数 の不動点

例として関数 を用いて不動点反復法を説明する。この関数の不動点は を満たす で、解析的に (黄金比の比率) として求めることができる。

  1. 初期設定: 初期値 を適当な値に設定する。ここでは例として とする。

  2. 反復適用: 反復関数 を適用して式 () の計算を繰り返す。

  3. 収束判定: 収束条件 (例えば 、つまり前後の反復差が十分に小さい場合) を満たすまで反復を繰り返す。

この手順での値 の収束を Table 1 に示す。9 回の反復で 1.6180 と近似した値に収束していることがわかる。

Table 1. 反復関数 の不動点 の収束

不動点定理

不動点定理 (fixed-point theorem) は不動点が存在するための十分条件を与える定理の総称である。以下に有名な不動点定理とその十分条件を列挙する [1]。

バナッハの不動点定理 (縮小写像の原理)

が完備な距離空間で が縮小写像。

ブラウワーの不動点定理

内の閉凸集合またはそれと同相な閉集合で、 が連続写像。

レフシェッツの不動点定理

が有限多面体で、 が連続写像かつ のレフシェッツ数が 0 でない。

シャウダーの不動点定理

がバナッハ空間内の閉凸集合、 が連続関数で、その像 がコンパクト集合。

ティホノフの不動点定理

がバナッハ空間内のコンパクトな凸集合で、 が連続写像。

角谷の不動点定理

内のコンパクト凸集合 上で定義され、空でない の閉凸部分集合を値とする写像は、上半連続ならば不動点を持つ。数理経済学におけるナッシュ均衡の解の存在に適用されている。

参照

  1. 青本和彦, et al. 岩波数学入門辞典. 岩波書店 2005.