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定理証明済み

ブラウワーの不動点定理

内容

Rn\mathbb{R}^n 内の閉単位球体からそれ自身への任意の連続写像 f:Dn→Dnf: D^n \to D^n は、少なくとも1つの不動点、すなわち f(x)=xf(x) = x を満たす点 xx を持つ。

なぜ正しいのか?

コーヒーをどのようにかき混ぜても、動きが連続的でコーヒーがカップの外に出ない限り、液体のどこかの点は必ずもとの位置に戻ってくる。1枚の紙を破らずにくしゃくしゃにし、もとの輪郭の内側に再び平らに置いても、紙のどこかの点は必ずもとの位置の真上に重なる。

証明の概略

背理法で、ff が不動点を持たないと仮定する。各 x∈Dnx \in D^n に対して f(x)f(x) から xx を通る半直線を引き、この半直線が境界球面 Sn−1S^{n-1} と交わる点を r(x)r(x) とする。この rr は連続写像 Dn→Sn−1D^n \to S^{n-1} であり、境界上では恒等写像になる——すなわち球体からその境界球面へのレトラクション(retraction)である。代数トポロジー(境界球面が球体のレトラクトではないという事実。ホモロジーによって、あるいは n=1n=1 の場合は中間値の定理により直接示せる)により、そのようなレトラクションは存在しないことが分かり、矛盾が得られる。

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ステップごとの証明

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参考文献

  1. L. E. J. Brouwer (1911). Über Abbildung von Mannigfaltigkeiten · DOI:10.1007/bf01456931
  2. John Milnor (1978). Analytic proofs of the 'hairy ball theorem' and the Brouwer fixed point theorem