보르숙–울람 정리

Borsuk–
mathematics, the Borsuk–Ulam theorem states that every continuous function from an n-sphere into Euclidean n-space maps some pair of antipodal points to the same point.
안티포달

수학에서 보석-울람 정리n-구면에서 유클리드 n-공간으로의 모든 연속 함수는 어떤 쌍의 반대방향 점들을 같은 점에 매핑한다고 말합니다. 여기서 구 위의 두 점이 구의 중심에서 정확히 반대 방향에 있으면 안티포달이라고 합니다.

: {\ f는 연속이고, 과 같은x in S^{n}}이 있습니다. f ( - x ) f ( x ) displaystyle f x) f(x)}.

사례 = displaystyle n = 1}은 지구 적도에는 항상 온도가 같은 한 쌍의 반대점이 존재한다는 것으로 설명할 수 있습니다. 모든 원에 대해서도 마찬가지입니다. 이것은 온도가 공간에서 연속적으로 변하는 것을 가정하지만, 항상 그런 것은 아닙니다.[1]

사례 = displaystyle n = 2}은 종종 두 매개변수가 공간에서 연속적으로 변한다고 가정할 때, 어떤 순간에도 지구 표면에는 항상 온도와 기압이 같은 한 쌍의 반대방향 점이 존재한다고 설명합니다.

보르숙-울람 정리는 홀수 함수의 관점에서 몇 가지 동등한 문장을 가지고 있습니다. n-구이고 B n-구임을 기억합니다.

  • S n {\ g는 연속 홀수 함수이며, S^{n}에는 과 같은 in S^{n}이 있습니다 (x) 0g(x) 0
  • n {\ g is a continuous function which is odd on (the boundary of ), then there exists an such that: .

역사

Matousheck(2003, 페이지 25)에 따르면, 보르숙의 성명에 대한 최초의 역사적 언급은-울람 정리는 Lyusternik & Shnirel'man (1930)에 등장합니다. 첫 번째 증거는 Karol Borsuk(1933)에 의해 제시되었으며, 여기서 문제의 공식화는 Staniswaw Ulam에게 귀속되었습니다. 그 이후로 Steinlein(1985)이 수집한 바와 같이 다양한 저자들에 의해 많은 대안적인 증거들이 발견되었습니다.

등가문

다음 문장들은 보르숙에 해당합니다.울람 정리.[2]

홀수 함수 포함

은 모든 x x g- x) =- ) {\displaystyle g (-x) = -g(x)}인 경우 홀수(Antiphodal 또는 Antiphode-보존이라고 함)라고 합니다.

보르숙-울람 정리는 다음 문장과 동등합니다. n-구면에서 유클리드 n-공간으로의 연속 홀수 함수는 0을 갖습니다. 증명:

  • 정리가 맞다면 홀수 함수에 대해서는 구체적으로 맞으며, 홀수 함수에 대해서는 - ) = g g (-x) = g(x if fg(x) = 0 {\display g(x) = 0} 이다. 따라서 모든 홀수 연속 함수는 0을 가진다.
  • 모든 연속 f에 대하여 다음 함수는 연속적이고 홀수입니다: ) = x) - f ( - x ) {\displaystyle g(x) = f(x) - f (-x)}. 모든 홀수 연속 함수가 0이면, g {\displaystyle g}는 0이므로 f (x ) = f ( - x ) {\displaystyle f(x) = f (-x)}. 따라서 그 정리는 정확합니다.

수축과 함께

후퇴를 함수 로 정의합니다 - 1 The Borsuk–울람 정리는 연속적인 홀수 후퇴가 없다는 다음과 같은 주장에 해당합니다.

증명: 정리가 맞다면, 의 모든 연속 홀수 함수는 그 범위에 0을 포함해야 합니다. 0 ∉ - 1 0\n이므로 범위가 - 1 인 연속 홀수 함수는 있을 수 없습니다

반대로 틀리면 연속적인 함수 g가 존재합니다 n → {\ g이 없는 S입니다. 그러면 또 다른 홀수 를 구성할 수 있습니다 - 1 h by:

에는 0이 없으므로 h 잘 정의되어 있고 연속적입니다. 따라서 연속적인 홀수 후퇴가 있습니다.

증명

1차원 케이스

1차원 경우는 중간값 정리(IVT)를 사용하여 쉽게 증명할 수 있습니다.

g() = (x) - f( - x ) {\displaystyle g(x) = f(x) - f (-x)}로 정의된 원 위의 홀수 실수 함수라고 하자. 임의의 x {\displaystyle x}를 선택하십시오. 만약 g (x ) = 0 {\displaystyle g(x) = 0}이면 우리는 끝이다. 그렇지 않으면 일반성을 잃지 않고 )> 0 > 그러나 - )< g) < 0. {\display g(-x) < 0따라서 IVT에 의해 - 사이에 점 y가 있으며, 여기서 0 g(y) 0}입니다.

일반적인 경우

대수적 위상 증명

- 1 h S> 2 홀수 연속 함수입니다( n displaystyle n1은 위에서 처리되며, 케이스 n 2 {\displaystyle n2}은 기본 피복 이론을 사용하여 처리할 수 있습니다). 안티포달 작용 하에서 궤도로 통과함으로써 유도된 연속 h를 얻습니다 - 1 h 실제 사영 공간 사이에서 기본 그룹에 대한 동형을 유도합니다. 후레비츠 정리에 의해, {\_{ 계수 [서 F {\는 두 개의 요소가 있는 필드를 나타냅니다.]

을(를) 로 보냅니다 그러면 b n = b}=0}이(가) ≠ {\displaystyle a^{n}\n으로 전송됩니다. 0 모순입니다.[3]

또한 어떤 홀수 맵 - - 1 S S이 홀수 차수를 가지고 있다는 더 강력한 진술을 보여주고 이 결과로부터 정리를 추론할 수 있습니다.

합적 증명

보르숙-울람 정리는 터커의 보조정리로부터 증명될 수 있습니다.[2][4][5]

Let : {\ g는 연속 홀수 함수입니다. g콤팩트 도메인에서 연속이므로 균일하게 연속됩니다. Therefore, for every , there is a such that, for every two points of which are within of each other, their images under g are within of each other.

최대δ delta}의 모서리를 가진 의 삼각측량을 정의합니다. 삼각측량의 각 v v}에 다음과 같은 방법으로 l± ± 2, …, ± {\in {\ 1pm 2ldots,\pm n}에 레이블을 지정합니다.

  • 레이블의 절대값은 절대값이 가장 높은 g: ( = k (g (v)) {\displaystyle l(v) =\arg \max _{k}(g(v)_{k})}인 좌표의 지수입니다.
  • 레이블의 부호는 g의 부호이므로 = ⁡ (g (v)) l(v) {\displaystyle l(v)=\operatorname {sgn}(g(v) l(v)}입니다.

g이므로 라벨링도 홀수이다: (- v) =- ( v ) l (-v) = -l(v)}. 따라서, 터커 보조정리에 의해, 반대 라벨링을 갖는 두 개의 인접한 정점 u, v {\display u,v}가 존재합니다. w.l.o.g. 레이블이 = 1lv = - 1 {\ l(u) = 1,l(v) = -1} 이라고 가정합니다. l의 정의에 의해, 이것은 g(u) {\displaystyle g(u)}와 g(v) {\displaystyle g(v)}에서, 좌표 #1은 가장 큰 좌표입니다. ( 에서 이 좌표는 양수이고 ( g에서는 음수입니다. 삼각측량법의 구성에 의해 ( 사이의 거리는 최대ϵ displaystyle \epsilon}, so in particular (since and have opposite signs) and so g(u)_{1} \leq \epsilon }. 그러나 g(u) {\displaystyle g(u)}의 가장 큰 좌표는 좌표 #1이므로, 이는 각 1 ≤ k ≤ n {\displaystyle g(u)_{k} \leq \epsilon }에 대해 g(u) k ≤ {\displaystyle g(u)_{k} \leq \epsilon }임을 의미합니다. ( ϵ {\g(u{nepsilon }, c_{n}}은 선택한 n n} 및 ⋅ {\displaystyle \cdot}에 일정합니다.

위의 내용은 모든ϵ > 0 0}에 해당합니다. {\S_{n}}은 콤팩트하므로 () = 0g(u) = 0인 점 가 있어야 합니다.

코럴리

  • 의 부분 집합이 S 동형입니다.
  • 햄 샌드위치 정리: 임의의 콤팩트 집합 A1, ..., An 대하여, 우리는 각각을 동일한 측도의 두 부분집합으로 나누는 초평면을 항상 찾을 수 있습니다.

동등한 결과

우리는 보석을 증명하는 방법을 보여주었습니다.터커 보조정리에서 나온 울람 정리. 그 반대도 사실입니다. Borsuk에서 Tucker의 보조개를 증명할 수 있습니다.울람 정리. 따라서 이 두 정리는 동치입니다. 대수 위상 변형, 조합 변형 및 집합 피복 변형의 세 가지 동등한 변형으로 제공되는 몇 가지 고정 소수점 정리가 있습니다. 각 변형은 완전히 다른 인수를 사용하여 개별적으로 증명될 수 있지만 각 변형은 행의 다른 변형으로 축소될 수도 있습니다. 또한 맨 위 행의 각 결과는 같은 열의 아래 결과에서 추론할 수 있습니다.[6]

대수 위상학 조합론 세트 피복
브루어 고정점 정리 Sperner's lemma 크나스터-쿠라토프스키-마주르키에비치 보조정리
보르숙–울람 정리 터커 보조기 루스터니크-슈니렐만 정리

일반화

  • 원래 정리에서 함수 f의 정의역은 단위 n구(단위 n구의 경계)입니다. 일반적으로 f 의 정의역이 원점을 포함하는 n 의 열린 유계 대칭 부분집합의 경계일 때도 마찬가지입니다(여기서 대칭은 x가 부분집합에 있으면 -x도 부분집합에 있음을 의미합니다).[7]
  • 점을 그것의 반대방향 점에 대응시키는 함수 A를 생각하자: A( )=- . A( = - A ) = x. {\displaystyle A(A(x) = x.} 원래의 정리는 f (A() = f (x)인 점 x가 있다고 주장합니다. {\displaystyle f(A(x) = f(x).일반적으로 이것은 (( 인 모든 함수 A에도 해당됩니다 A (A(x)) x.} 그러나 일반적으로 이것은 다른 함수 A에도 해당되지 않습니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ Jha, Aditya; Campbell, Douglas; Montelle, Clemency; Wilson, Phillip L. (2023-07-30). "On the Continuum Fallacy: Is Temperature a Continuous Function?". Foundations of Physics. 53 (4): 69. doi:10.1007/s10701-023-00713-x. ISSN 1572-9516.
  2. ^ a b Prescott, Timothy (2002). Extensions of the Borsuk–Ulam Theorem (BS). Harvey Mudd College. CiteSeerX 10.1.1.124.4120.
  3. ^ Joseph J. Rotman, 대수 위상학 개론 (1988) Springer-Verlag ISBN 0-387-96678-1 (전체 설명은 12장 참조)
  4. ^ Freund, Robert M.; Todd, Michael J. (1982). "A constructive proof of Tucker's combinatorial lemma". Journal of Combinatorial Theory. Series A. 30 (3): 321–325. doi:10.1016/0097-3165(81)90027-3.
  5. ^ Simmons, Forest W.; Su, Francis Edward (2003). "Consensus-halving via theorems of Borsuk–Ulam and Tucker". Mathematical Social Sciences. 45: 15–25. doi:10.1016/s0165-4896(02)00087-2. hdl:10419/94656.
  6. ^ Nyman, Kathryn L.; Su, Francis Edward (2013), "A Borsuk–Ulam equivalent that directly implies Sperner's lemma", The American Mathematical Monthly, 120 (4): 346–354, doi:10.4169/amer.math.monthly.120.04.346, JSTOR 10.4169/amer.math.monthly.120.04.346, MR 3035127
  7. ^ "Borsuk fixed-point theorem", Encyclopedia of Mathematics, EMS Press, 2001 [1994]
  8. ^ Yang, Chung-Tao (1954). "On Theorems of Borsuk-Ulam, Kakutani-Yamabe-Yujobo and Dyson, I". Annals of Mathematics. 60 (2): 262–282. doi:10.2307/1969632. JSTOR 1969632.
  9. ^ Jens Reinhold, Faisal; Sergei Ivanov. "Generalization of Borsuk-Ulam". Math Overflow. Retrieved 18 May 2015.

참고문헌

외부 링크