Кіріспе

Жабық қисық жазықтықты екі аймаққа бөледі. Топологияда Джордан қисық теоремасы, кез келген Джордан қисығы (жазық қарапайым жабық қисық) жазықтықты қисықпен шектелген "ішкі" аймаққа және барлық жақын және алыс сыртқы нүктелерді қамтитын "сыртқы" аймаққа бөледі деп тұжырымдайды. Бір аймақтың нүктесін екінші аймақтың нүктесімен байланыстыратын кез келген үздіксіз жол, қисықпен бір нүктеде қиылысады. Теорема интуитивті түрде анық болғанымен, оны элементарлық тәсілдермен дәлелдеу үшін едәуір шеберлік қажет. "Джордан қисық теоремасы ең белгілі топологиялық теоремалардың бірі болғанымен, көптеген, тіпті кәсіби математиктердің өзі оның дәлелін ешқашан оқымаған." Көбінесе нақтырақ дәлелдер алгебралық топологияның математикалық құралдарын пайдаланады, олар жоғары өлшемді кеңістіктерге жалпылауға мүмкіндік береді. Джордан қисық теоремасы оның алғашқы дәлелін 1887 жылы жариялаған математик Камиль Джорданның (1838–1922) есімімен аталады. Он жылдар бойы математиктер бұл дәлелдің бұрыс екенін ойлады және алғашқы қатаң дәлелді Освальд Веблен жасады. Алайда, Томас С. Хейлс және басқалар бұл пікірді жоққа шығарды.

Дәлел және жалпылау

Джордан қисық теоремасы 1911 жылы Х. Лебесг және Л. Е. Ж. Брауэрлер тәуелсіз түрде жоғары өлшемдерге жалпыланды, нәтижесінде Джордан–Брауэр ажырату теоремасы пайда болды. Дәлелдеме гомология теориясын қолданады. Біріншіден, егер X, k сферасына гомеоморф болса, онда Y = Rn+1 \ X-тің қысқартылған интегралды гомологиялық топтары келесідей болады: Бұл k бойынша индукция арқылы Майер–Виторис тізбегін қолдану арқылы дәлелденеді. n = k болғанда, Y-тің нөлдік қысқартылған гомологиясы 1-рангты болады, яғни Y-де 2 байланысқан компонент бар (олар, сонымен қатар, жолмен байланысқан), және қосымша жұмыс істеу арқылы олардың ортақ шекарасы X екенін көрсетеді. Әрі қарай жалпылауды Дж. В. Александр жасады, ол Rn+1 кеңістігіндегі X компактты жиынның қысқартылған гомологиясы мен оның толықтыруының қысқартылған когомологиясы арасындағы Александр дуальностығын орнатты. Егер X, шекарасы жоқ Rn+1 (немесе Sn+1) кеңістігіндегі n өлшемді байланысқан ішкі көптік болса, онда оның толықтыруы 2 байланысқан компонентке ие. Джордан қисық теоремасының күшейтілген түрі, Джордан–Шёнфлис теоремасы деп аталады, ол R2 жазықтығындағы Джордан қисығымен анықталған ішкі және сыртқы жазық аймақтары бірлік дискінің ішкі және сыртқы бөліктеріне гомеоморфты екенін айтады. Атап айтқанда, ішкі аймақтағы кез келген P нүктесі мен Джордан қисығындағы A нүктесі үшін P-ні A-мен байланыстыратын және A нүктесінен басқа, толығымен ішкі аймақта жатқан Джордан доғасы бар. Джордан–Шёнфлис теоремасының баламалы және теңдес тұжырымы, кез келген Джордан қисығы φ: S1 → R2, мұнда S1 жазықтықтағы бірлік шеңбері ретінде қарастырылады, жазықтықтың гомеоморфизмі ψ: R2 → R2 дейін кеңейтілуі мүмкін екенін көрсетеді. Лебег пен Брауэрдің Джордан қисық теоремасын жалпылауынан айырмашылығы, бұл тұжырым жоғары өлшемдерде жалған болады: R3 кеңістігіндегі бірлік шардың сырты жай ғана байланысқан, өйткені ол бірлік сферасына кері тартылады, ал Александр мүйізді сферасы R3 кеңістігіндегі сфераға гомеоморфты жиын, бірақ кеңістікте соншалықты бұрылған, R3 кеңістігіндегі оның шексіз компоненті жай ғана байланысқан емес, сондықтан бірлік шардың сыртына гомеоморфты емес.

Дискретті нұсқасы

Джордан қисығы теоремасы Брауэрдің тұрақты нүкте теоремасынан (2 өлшемде) шығарылуы мүмкін, ал Брауэрдің тұрақты нүкте теоремасы Хекс теоремасынан шығарылуы мүмкін: "Хекс ойынының әрқайсысының кем дегенде бір жеңімпазы болады", осыдан логикалық тұжырым аламыз: Хекс теоремасы Брауэрдің тұрақты нүкте теоремасын тудырады, ол өз кезегінде Джордан қисығы теоремасын тудырады. Джордан қисығы теоремасы "күшті Хекс теоремасын" тудырады: "Хекс ойынының әрқайсысы дәл бір жеңімпазбен аяқталады, екі тараптың да жеңілуі немесе екі тараптың да жеңуі мүмкін емес", сондықтан Джордан қисығы теоремасы күшті Хекс теоремасына эквивалентті, ол таза дискретті теорема. Брауэрдің тұрақты нүкте теоремасы, екі эквивалентті теореманың арасында орналасқандықтан, олардың екеуіне де эквивалентті. Кері математикада және компьютерлік формалдау математикасында Джордан қисығы теоремасы көбінесе оны күшті Хекс теоремасына ұқсас эквивалентті дискретті нұсқаға түрлендіріп, содан кейін дискретті нұсқаны дәлелдеу арқылы дәлелденеді.

Штейнхаус шахмат тақтасының теоремасы

Штейнхаус шахмат тақтасының теоремасы белгілі бір мағынада 4 көршілес тор мен 8 көршілес тордың "бірлесіп" Джордан қисығының теоремасын тудыратынын көрсетеді, ал 6 көршілес тор олардың арасындағы нақты интерполяция болып табылады. Теорема былай тұжырымдайды: егер шахмат тақтасының кейбір шаршыларына бомбалар орналастырылса, сонда патша бомбаға басқансыз төменгі қатардан жоғарғы қатарға жылжу мүмкін болмаса, ладья тек бомбаларға басқан күйінде сол қатардан оң қатарға жылжуға болады.

Қолдану

Есептеу геометриясында Джордан қисығы теоремасы бір қарапайым көпбұрыштың ішінде немесе сыртында жатқан нүктені тексеру үшін қолданылуы мүмкін. Берілген нүктеден көпбұрыш қабырғаларының ешқайсысынан өтпейтін сәуле жүргізіңіз (барлық сәулелердің шектеулі санынан басқасы қолайлы). Содан кейін, сәуленің көпбұрыш қабырғаларымен қиылысу санын n есептеңіз. Джордан қисығы теоремасының дәлелі, н саны тақ болса ғана нүкте көпбұрыш ішінде болады дегенді көрсетеді.

Есептеу аспектілері

Адлер, Даскалакис және Демайн Джордан теоремасының есептеулік нұсқасы PPAD толық екенін дәлелдейді. Соның салдары ретінде, олар Джордан теоремасы Брауэрдің тұрақты нүкте теоремасын тудыратынын көрсетеді. Бұл Маэхараның алдыңғы нәтижесін толықтырады, яғни Брауэрдің тұрақты нүкте теоремасы Джордан теоремасын тудырады.