Кіріспе
Кез келген үш нысанды кеңістікте бірдей жазықтықпен екіге бөлу теоремасы. Математикалық өлшемдер теориясында, кез келген оң бүтін n үшін, "шұжық сандвич" теоремасы n өлшемді Евклид кеңістігіндегі n өлшенетін "объектіні" берген жағдайда, олардың әрқайсысын өлшемі бойынша (мысалы, көлемі) бір (n-1) өлшемді гипержазықтықпен екіге бөлуге болады. Объектілер бір-бірін жабуына қарамастан мұндай бөлуге болады. Бұл теореманы Хьюго Штайнхаус ұсынды, ал Стефан Банах дәлелдеді (нақты 3 өлшемде, n өлшемді жағдайда теореманы тұжырымдауға тырыспай), кейін жылдар өткен соң Артур Х. Стоун мен Джон Тукидің құрметіне Стоун-Туки теоремасы деп аталды.
In mathematical measure theory, for every positive integer n the ham sandwich theorem states that given n measurable "objects" in n dimensional Euclidean space, it is possible to divide each one of them in half (with respect to their measure, e. g. volume) with a single (n − 1) dimensional hyperplane. This is even possible if the objects overlap. It was proposed by Hugo Steinhaus and proved by Stefan Banach (explicitly in dimension 3, without taking the trouble to state the theorem in the n dimensional case), and also years later called the Stone–Tukey theorem after Arthur H. Stone and John Tukey.
Атау беру
Шам сэндвич теоремасы 1=n = 3 және екіге бөлінетін үш объектінің шам сэндвичінің ингредиенттері болған жағдайда аталған. Көздер бұл үш ингредиенттің екі нан тілімі мен шұжық бөлігі, нан, ірімшік және шұжық, немесе нан, май және шұжық екендігі туралы әртүрлі пікір білдіреді. Екі өлшемде теорема, екіге сызықпен бөлінетін екі объектінің жазық екенін көрсететіндіктен, "панкейк теоремасы" деп аталады.
Тарих
Беердің сөзіне сәйкес, шұжық сандвич теоремасы туралы ең алғашқы жарияланған мақала, атап айтқанда үш денені жазықтықпен екіге бөлудің 1=n=3 жағдайы, 1938 жылы польшалық математика журналында жарық көрген. Беер мен Зардецкийдің мақаласында осы жазбаның аудармасы бар, онда мәселені Уго Штайнхаус қойғандығы, ал Стефан Банах Борсук-Улам теоремасына келтіру арқылы оны бірінші болып шешкендігі айтылады. Мәселе жазбада екі түрде берілген: бірінші, ресми түрде, «кәдімгідей орналасқан үш денені тиісті жазықтықпен екіге бөлу әрқашан мүмкін бе?» және екінші, бейресми түрде, «ет кескіштің астына шұжық кесегін салып, ет, сүйек және майды тең бөлуге бола ма?» Содан кейін жазбада теореманың дәлелі келтіріледі. Көбірек заманауи сілтеме – «Стоун-Туки теоремасы» атауының негізі болған . Бұл мақала теореманың n өлшемді нұсқасын өлшемдерді қамтитын жалпы жағдайда дәлелдейді. Мақалада 1=n=3 жағдайын Станислав Уламға, ақылдасқан адамның мәліметіне сүйене отырып жатқызылады; бірақ жоғарыда аталған жазбаны ескере отырып, бұл дұрыс емес деп мәлімдейді, алайда «Улам Борсук-Улам теоремасын ұсынуға маңызды үлес қосты».
Екі өлшемді нұсқа: айналатын пышақпен дәлелдеу
Теореманың екі өлшемді түрі (сондай-ақ, "панкейк теоремасы" деп аталады) әділ торт бөлу әдебиетінде кездесетін аргумент арқылы дәлелделуі мүмкін (мысалы, Робертсон-Уэбб айналмалы пышақ әдісін қараңыз). Кез келген бұрыш үшін, сол бұрыштағы түзу сызық ("пышақ") #1 панкейктің екіге бөлуін қамтамасыз етеді. Мұны көру үшін, бұрыштың түзу сызығын параллель түрде жылжытыңыз; сызықпен жабылатын #1 панкейктің үлесі 0-ден 1-ге дейін үздіксіз өзгереді, сондықтан аралық мән теоремасы бойынша, ол жол бойында бірде-бір жерде 1/2-ге тең болуы керек. Біздің сызығымыздың барлық жылжулары 1/2-ге тең үлес бере алады; мұндай жағдайда, барлық осындай жылжулардың ортаңғысын таңдау – канондық таңдау болып табылады. Егер пышақ 0 бұрышта болса, ол #2 панкейкті де кеседі, бірақ бөліктері тең болмауы мүмкін (егер біз сәтті болсақ және бөліктері тең болса, мәселе шешілген). Пышақтың "оң" жағын #2 панкейктің үлесі үлкен болатын жақ деп анықтаймыз. Енді пышақты бұрамыз және оны жоғарыда сипатталғандай жылжытамыз. Бұрыш болса, пышақтың оң жағындағы #2 панкейктің үлесі деп белгілейміз. Бастапқыда функция үздіксіз, себебі бұрыштағы шағын өзгерістер пышақтың орналасуындағы шағын өзгерістерге әкеледі. Пышақ 180 бұрышта болғанда, ол кері бұрылады, сондықтан аралық мән теоремасы бойынша, осы бұрышта екі панкейкті бір мезгілде екіге бөлетін бұрыш болуы керек.
Теориялық нұсқаларды өлшеу
Өлшемдер теориясында, шұжық сэндвич теоремасының тағы екі жалпы түрі дәлелденді. Екі нұсқа да ортақ жиын X-тің n ішкі жиыны X1, X2, …, Xn екіге бөлінуіне қатысты, мұнда X-тің Каратеодор сыртқы өлшемі бар және әр Xi-нің шекті сыртқы өлшемі бар. Олардың бірінші жалпы формуласы былай: кез келген үздіксіз нақты функция f үшін, n сфераның S^(n) нүктесі p және s0 нақты саны бар, яғни 1=f(p,x) = s0 жазықтығы X-ті f(p,x) < s0 және f(p,x) > s0 тең өлшемге бөледі және бір мезгілде X1, X2, …, Xn ішкі жиындарының сыртқы өлшемін екіге бөледі. Дәлел тағы да Борсук-Улам теоремасына келтіріледі. Бұл теорема стандартты шұжық сэндвич теоремасын 1=f(s,x) = s1x1 + … + snxn деп жалпылайды. Олардың екінші формуласы мынадай: кез келген n + 1 өлшенетін функция f0, f1, …, fn үшін, X жиынының оң өлшемге ие кез келген ішкі жиынында сызықтық тәуелсіз болатын, 1=f = a0f0 + a1f1 + … + anfn сызықтық комбинациясы бар, сондықтан 1=f(x) = 0 жазықтығы X-ті f(x) < 0 және f(x) > 0 аймақтарына бөледі, бір мезгілде X1, X2, …, Xn ішкі жиындарының сыртқы өлшемін екіге бөледі. Бұл теорема стандартты шұжық сэндвич теоремасын 1=f0(x) = 1 деп және i > 0 үшін fi(x) функциясын x-тің i-ші координатасы деп алып жалпылайды.
Жалпылау
Бастапқы теорема ең көп дегенде n жиын үшін жұмыс істейді, мұнда n – өлшемдер саны. Жоғары өлшемдерге көшпестен, көптеген жиындарды екіге бөлу үшін гипержазықтықтың орнына k дәрежелі алгебралық бетті пайдалануға болады, яғни k дәрежелі полиномдық функциямен анықталған (n-1) өлшемді бетті: n өлшемді кеңістікте берілген өлшемдердің барлығын екіге бөлетін k дәрежелі алгебралық бет бар. Бұл жалпылау n өлшемді жазықтықты өлшемді жазықтыққа бейнелеу арқылы және содан кейін бастапқы теореманы қолдану арқылы дәлелденеді. Мысалы, егер n = 2 және k = 2 болса, 2 өлшемді жазықтық келесі түрлендіру арқылы 5 өлшемді жазықтыққа бейнеленеді: (x, y) → (x, y, x^(2), y^(2), xy).
Given measures in an n–dimensional space, there exists an algebraic surface of degree k which bisects them all. This generalization is proved by mapping the n–dimensional plane into a dimensional plane, and then applying the original theorem. For example, for 1=n = 2 and 1=k = 2, the 2–dimensional plane is mapped to a 5–dimensional plane via:
(x, y) → (x, y, x^(2), y^(2), xy).