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定理証明済み

毛玉の定理(ハリーボール定理)

内容

球面 S2S^2 上には、どこでも零にならない連続な接ベクトル場は存在しない。S2S^2 の各点に接ベクトルを連続に割り当てる操作は、必ず少なくとも1点で零になる。

なぜ正しいのか?

毛玉の表面全体を、少なくとも1か所の「つむじ」(毛が立ち上がる点、あるいは毛がない点)を残さずに平らに梳かすことはできない。同じ障害により、地球表面上には常に少なくとも1点、水平方向の風速がちょうどゼロになる場所が存在することになる。

証明の概略

ポアンカレ・ホップの指数定理により、コンパクトな曲面上の連続なベクトル場の孤立零点の指数の総和は、その曲面のオイラー標数に等しい。χ(S2)=2≠0\chi(S^2) = 2 \neq 0 であるから、S2S^2 上の任意の連続な接ベクトル場は少なくとも1つの零点を持たねばならない。なぜなら、どこにも零点を持たない場の指数の総和は 00 になるはずだからである。

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参考文献

  1. John Milnor (1978). Analytic proofs of the 'hairy ball theorem' and the Brouwer fixed point theorem
  2. Victor Guillemin, Alan Pollack (1974). Differential Topology