Кіріспе

Топологиядағы теорема. Математикада Борсук-Улам теоремасы n сферадан n Евклид кеңістігіне дейінгі әр үздіксіз функция антиподаль нүктелердің бір жұбын бір нүктеге бейнелейді дейді. Мұнда шардың центрінен дәл қарама-қарсы бағытта орналасқан екі нүкте антиподаль деп аталады. Формальды түрде: егер үздіксіз болса, онда бар, осындай: .
Бұл жағдайды Жердің экваторында әрқашан бірдей температурада болатын қарама-қарсы екі нүктенің жұбы бар екендігі арқылы түсіндіруге болады. Бұл кез келген шеңбер үшін де осыған ұқсас. Бұл температураның кеңістікте үздіксіз өзгеретінін болжайды, бірақ бұл әрқашан осылай бола бермейді. Бұл жағдайды көбінесе, егер екі параметр де кеңістікте үздіксіз өзгерсе, кез келген уақытта Жер бетінде бірдей температура мен бірдей барометриялық қысымға ие антиподаль нүктелердің жұбы болады деп түсіндіреді. Борсук-Улам теоремасы тақ функциялармен байланысты бірнеше эквивалентті тұжырымдарға ие. Еске сала кетейік, n сфера және n шар:
Егер үздіксіз тақ функция болса, онда бар, осындай: . Егер (шекарасы) бойынша тақ болатын үздіксіз функция болса, онда бар, осындай: .

Тарих

-ға сәйкес, Борсук-Улам теоремасының алғашқы тарихи жазбасы -де кездеседі. Алғашқы дәлелдемесін берген , онда мәселенің қойылмасы Станислав Уламға жатқызылған. Одан бері әртүрлі авторлар көптеген баламалы дәлелдемелер тапты, олар -та жинақталған.

Теңдес мәлімдемелер

Келесі мәлімдемелер Борсук-Улам теоремасына эквивалентті.

Жалғыз функциялармен

Функция тақ деп аталады (антиподалық немесе антиподалық сақтау), егер әрбір x үшін: Борсук-Улам теоремасы келесі мәлімдемеге эквивалентті: n сферадан n Евклид кеңістігіне үздіксіз тақ функцияның нөлі болады. ДӘЛЕЛДЕМЕ: Егер теорема дұрыс болса, онда ол әсіресе тақ функциялар үшін дұрыс, және тақ функция үшін, егер . Демек, әрбір үздіксіз тақ функцияның нөлі бар. Кез келген үздіксіз функция үшін келесі функция үздіксіз және тақ болады: Егер әрбір үздіксіз тақ функцияның нөлі болса, онда функцияның да нөлі болады, сондықтан теорема дұрыс.

Қалқымалы

Қайта тартуды функция ретінде анықтаңыз. Борсук-Улам теоремасы келесі талапқа эквивалентті: үздіксіз тақ қайта тарту жоқ. Дәлел: Егер теорема дұрыс болса, онда кез келген үздіксіз тақ функцияның мәндер жиынында 0 болуы керек. Бірақ , сондықтан мәндер жиыны болатын үздіксіз тақ функция болмайды. Керісінше, егер теорема бұрыс болса, онда нөлдері жоқ үздіксіз тақ функция бар. Онда біз келесідей басқа бір тақ функцияны құрастыра аламыз: себебі -нің нөлдері жоқ, сондықтан ол жақсы анықталған және үздіксіз. Осылайша, бізде үздіксіз тақ керілу пайда болады.

Бір өлшемді корпус

1 өлшемді жағдайды аралық мән теоремасы (IVT) арқылы оңай дәлелдеуге болады. Шеңберде анықталған, нақты мәнді үздіксіз және тақ функцияны қарастырайық. Кез келген нүктені таңдайық. Егер онда есеп шешілді. Әйтпесе, жоғалуға болатын жалпылықты сақтай отырып, бірақ, сондықтан IVT бойынша, және арасында функция нөлге тең болатын нүкте бар.

Алгебралық топологиялық дәлелдеу

Бұл тақ, үздіксіз функция деп есептейік ( жағдайы жоғарыда қарастырылды, ал жағдайды негізгі жабу теориясын қолдану арқылы шешуге болады). Антиподальді әрекет бойынша орбиталарға көшу арқылы, нақты проективті кеңістіктер арасындағы индукцияланған үздіксіз функцияны аламыз, ол негізгі топтарда изоморфизмді тудырады. Хюревич теоремасы бойынша, коэфиценттері екі элементтен тұратын өріспен [мұндағы екі элементі бар өрісті білдіреді] кохомологиядағы индуцирленген сақиналық гомоморфизм , жібереді. Содан кейін біз жіберуді аламыз , бұл қайшылыққа әкеледі. Кез келген тақ бейнелеудің тақ дәрежеге ие екенін көрсетуге болады, содан кейін теореманы осы нәтижеден шығаруға болады.

Комбинациялық дәлелдеу

Борсук-Улам теоремасын Такер леммасынан дәлелдеуге болады. болсын – үздіксіз тақ функция. g тығыз доменде үздіксіз болғандықтан, ол біркелкі үздіксіз болады. Сондықтан, кез келген -ға, дейтін табылады, осылайша, нүктелерінің екеуінің арақашықтығы болса, олардың g-дегі бейнелері арасындағы арақашықтық та болады. үшбұрыштың қабырғаларының ұзындығы -дан аспайтындай етіп үшбұрыштауды анықтаңыз. Үшбұрыштың әрбір төбесін келесідей белгілеңіз: белгісінің абсолюттік мәні – g-нің абсолюттік мәні ең жоғары координатаның индексі: белгінің таңбасы – g-нің таңбасы, сондықтан: g тақ функция болғандықтан, белгілеу де тақ болады: Осылайша, Такер леммасы бойынша, қарама-қарсы таңбалары бар екі іргелес төбе бар. Жалпылықты жоғалтпай, белгілер дейдік. анықтамасы бойынша, бұл және координаталарында #1 координата ең үлкен координата екенін білдіреді: координатасында ол оң, ал координатасында теріс. Үшбұрыштау құрылысы бойынша, және арасындағы қашықтық -тан аспайды, сондықтан әсіресе (өйткені және қарсы таңбалы) және, демек, Бірақ координаталарындағы ең үлкен координата #1 координата болғандықтан, бұл әр үшін екенін білдіреді. Сондықтан, , мұнда – және таңдаған нормаға байланысты кейбір тұрақты шама. Жоғарыда айтылған кез келген үшін дұрыс; компакт болғандықтан, теңдігі орындалатын нүктесі болуы керек.

Теңдес нәтижелер

Жоғарыда біз Текер леммасынан Борсук-Улам теоремасын қалай дәлелдеуге болатынын көрсеттік. Керісінше де рас: Борсук-Улам теоремасынан Текер леммасын дәлелдеуге болады. Сондықтан, бұл екі теорема эквивалентті.

Жалпылау

Бастапқы теорема бойынша, f функциясының анықталу облысы – n бірлік сферасы (n бірлік шардың шекарасы). Жалпы алғанда, егер f функциясының анықталу облысы нөл нүктесін қамтитын, кез келген ашық, шектеулі, симметриялық жиынның шекарасы болса, онда да бұл дұрыс (Мұнда симметриялық дегеніміз, егер x жиынға кірсе, онда -x да жиынға кіреді). А функциясын қарастырайық, ол нүктені оның антиподаль нүктесіне бейнелейді: Ескеріңіз, бастапқы теорема x нүктесінің табылуын күтіреді. Жалпы алғанда, бұл кез келген А функциясы үшін де дұрыс, егер бірақ бұл басқа А функциялары үшін жалпы жағдайда дұрыс емес.