Twierdzenie o n-kanapce

Podobne dokumenty
Wykład 3. Miara zewnętrzna. Definicja 3.1 (miary zewnętrznej) Funkcję µ przyporządkowującą każdemu podzbiorowi

1 Relacje i odwzorowania

jest ciągiem elementów z przestrzeni B(R, R)

Teoria miary. WPPT/Matematyka, rok II. Wykład 5

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ LINIOWA NIEZALEŻNOŚĆ, ROZPINANIE I BAZY

4. Granica i ciągłość funkcji

4. O funkcji uwikłanej 4.1. Twierdzenie. Niech będzie dana funkcja f klasy C 1 na otwartym podzbiorze. ϕ : K(x 0, δ) (y 0 η, y 0 + η), taka że

Twierdzenie spektralne

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Funkcje addytywne gorszego sortu

7 Twierdzenie Fubiniego

A i. i=1. i=1. i=1. i=1. W dalszej części skryptu będziemy mieli najczęściej do czynienia z miarami określonymi na rodzinach, które są σ - algebrami.

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

Rodzinę F złożoną z podzbiorów zbioru X będziemy nazywali ciałem zbiorów, gdy spełnione są dwa następujące warunki.

Wykład 21 Funkcje mierzalne. Kostrukcja i własności całki wzglȩdem miary przeliczalnie addytywnej

8 Całka stochastyczna względem semimartyngałów

Wykłady ostatnie. Rodzinę P podzbiorów przestrzeni X nazywamy σ - algebrą, jeżeli dla A, B P (2) A B P, (3) A \ B P,

Analiza matematyczna. 1. Ciągi

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

F t+ := s>t. F s = F t.

Rozdział 6. Ciągłość. 6.1 Granica funkcji

Zadania do Rozdziału X

1 Zbiory. 1.1 Kiedy {a} = {b, c}? (tzn. podać warunki na a, b i c) 1.2 Udowodnić, że A {A} A =.

1 Nierówność Minkowskiego i Hoeldera

G. Plebanek, MIARA I CAŁKA Zadania do rozdziału 1 28

Korzystając z własności metryki łatwo wykazać, że dla dowolnych x, y, z X zachodzi

Zmiana baz. Jacek Jędrzejewski Macierz przejścia od bazy do bazy 2

n=0 Dla zbioru Cantora prawdziwe są wersje lematu 3.6 oraz lematu 3.8 przy założeniu α = :

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Notatki przygotowawcze dotyczące inwersji na warsztaty O geometrii nieeuklidesowej hiperbolicznej Wrocław, grudzień 2013

2 Rodziny zbiorów. 2.1 Algebry i σ - algebry zbiorów. M. Beśka, Wstęp do teorii miary, rozdz. 2 11

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

Zdzisław Dzedzej. Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2013

Zad.3. Jakub Trojgo i Jakub Wieczorek. 14 grudnia 2013

2. Liczby pierwsze i złożone, jednoznaczność rozkładu na czynniki pierwsze, największy wspólny dzielnik, najmniejsza wspólna wielokrotność. (c.d.

W naukach technicznych większość rozpatrywanych wielkości możemy zapisać w jednej z trzech postaci: skalara, wektora oraz tensora.

MNRP r. 1 Aksjomatyczna definicja prawdopodobieństwa (wykład) Grzegorz Kowalczyk

Twierdzenie Li-Yorke a Twierdzenie Szarkowskiego

Kolorowanie płaszczyzny, prostych i okręgów

Topologia kombinatoryczna zadania kwalifikacyjne

Rozkład figury symetrycznej na dwie przystające

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Teoria miary i całki

Wykład 4. Określimy teraz pewną ważną klasę pierścieni.

Wykłady... b i a i. i=1. m(d k ) inf

Teoria miary WPPT IIr. semestr zimowy 2009 Wyk lady 6 i 7. Mierzalność w sensie Carathéodory ego Miara Lebesgue a na prostej

Egzamin z Analizy Matematycznej I dla Informatyków, 28 I 2017 Część I

. : a 1,..., a n F. . a n Wówczas (F n, F, +, ) jest przestrzenią liniową, gdzie + oraz są działaniami zdefiniowanymi wzorami:

1. Powtórka ze szkoły. Wykład: (4 godziny), ćwiczenia: , kolokwium nr 1:

Notatki z Analizy Matematycznej 2. Jacek M. Jędrzejewski

1 Pochodne wyższych rzędów

B jest liniowo niezależny V = lin (B) 1. Układ pusty jest bazą przestrzeni trywialnej {θ}. a i v i = i I. b i v i, (a i b i ) v i = θ.

Pochodna funkcji odwrotnej

6. Granica funkcji. Funkcje ciągłe.

Temperatura w atmosferze (czy innym ośrodku) jako funkcja dł. i szer. geogr. oraz wysokości.

Przykładami ciągów, które Czytelnik dobrze zna (a jeśli nie, to niniejszym poznaje), jest ciąg arytmetyczny:

Robert Kowalczyk. Zbiór zadań z teorii miary i całki

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

Konstrukcja liczb rzeczywistych przy pomocy ciągów Cauchy ego liczb wymiernych

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

2. Definicja pochodnej w R n

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Rozdział 4. Ciągi nieskończone. 4.1 Ciągi nieskończone

Wykład 10. Stwierdzenie 1. X spełnia warunek Borela wtedy i tylko wtedy, gdy każda scentrowana rodzina zbiorów domkniętych ma niepusty przekrój.

Inwersja na płaszczyźnie, własności, konstrukcje, zastosowania

Geometria. Rozwiązania niektórych zadań z listy 2

Rozdział 1. Wektory losowe. 1.1 Wektor losowy i jego rozkład

1. Struktury zbiorów 2. Miara 3. Miara zewnętrzna 4. Miara Lebesgue a 5. Funkcje mierzalne 6. Całka Lebesgue a. Analiza Rzeczywista.

EGZAMIN MAGISTERSKI, Biomatematyka

Ultrafiltry. Dominik KWIETNIAK, Kraków. 1. Ultrafiltry

Wielomiany jednej zmiennej rzeczywistej algorytmy

Zasada indukcji matematycznej

Zadania z Analizy Funkcjonalnej I Które z poniższych przestrzeni metrycznych są przestrzeniami unormowanymi?

Prawdopodobieństwo i statystyka

System BCD z κ. Adam Slaski na podstawie wykładów, notatek i uwag Pawła Urzyczyna. Semestr letni 2009/10

Zadania z Analizy Funkcjonalnej I Które z poniższych przestrzeni metrycznych są przestrzeniami unormowanymi?

Rodzinę spełniającą trzeci warunek tylko dla sumy skończonej nazywamy ciałem (algebrą) w zbiorze X.

FUNKCJE. (odwzorowania) Funkcje 1

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

Logarytmy. Funkcje logarytmiczna i wykładnicza. Równania i nierówności wykładnicze i logarytmiczne.

Uzupełnienia dotyczące zbiorów uporządkowanych (3 lutego 2011).

Topologia Algebraiczna - Pomocnik studenta. 1. Język teorii kategorii

dr inż. Ryszard Rębowski 1 WPROWADZENIE

Definicje i przykłady

Prawdopodobieństwo i statystyka

MATEMATYKA DLA CIEKAWSKICH. Dowodzenie twierdzeń przy pomocy kartki. Część I

Dlaczego nie wystarczają liczby wymierne

Finanse i Rachunkowość studia niestacjonarne Wprowadzenie do teorii ciągów liczbowych (treść wykładu z 21 grudnia 2014)

Definicja odwzorowania ciągłego i niektóre przykłady

LICZBY ZESPOLONE. 1. Wiadomości ogólne. 2. Płaszczyzna zespolona. z nazywamy liczbę. z = a + bi (1) i = 1 lub i 2 = 1

Krzywa uniwersalna Sierpińskiego

Topologia - Zadanie do opracowania. Wioletta Osuch, Magdalena Żelazna, Piotr Kopyrski

Zliczanie Podziałów Liczb

7. Miara, zbiory mierzalne oraz funkcje mierzalne.

21 maja, Mocna własność Markowa procesu Wienera. Procesy Stochastyczne, wykład 13, T. Byczkowski, Procesy Stochastyczne, PPT, Matematyka MAP1126

Całki powierzchniowe w R n

zbiorów domkniętych i tak otrzymane zbiory domknięte ustawiamy w ciąg. Oznaczamy

Transkrypt:

Twierdzenie o n-kanapce Jacek J. Łakis Naukowe Koło Matematyki PG 24 marca 204. Wprowadzenie Twierdzenie o n-kanapce jest jednym z tych twierdzeń, które pokazują niezwykłe własności i zastosowania funkcji ciągłej. Jest uogólnieniem twierdzeń którym ze względu na swoją prostotę zrozumienia nadano kulinarny charakter. Zanim jednak sformułuję te szczególne przypadki chciałbym przytoczyć najważniejsze twierdzenie w tym artykule: Twierdzenie Borsuka-Ulama. Dla każdego ciągłego odwzorowania f : S n R n istnieje taki punkt x S n dla którego: f(x) = f( x) Skrótowo mówi się również, że każde ciągłe odwzorowanie f skleja punkty antypodyczne. W pozycji [] można znaleźć bardzo długi dowód tego twierdzenia jak również twierdzenia jemu równoważne, twierdzenia które implikuje i mnóstwo przykładów jego użycia. Przejdźmy w takim razie do, wcześniej wspomnianych, szczegółnych przypadków tytułowego twierdzenia. Jako, że zbiory zawarte w R 2 można utożsamiać z naleśnikami, a zbiory z R 3 z chlebem, masłem i szynką, twierdzenia te otrzymały nazwy: Twierdzenie o naleśnikach (n = 2). Niech A i A 2 będą zwartymi podzbiorami płaszczyzny R 2. Wówczas istnieje jedna prosta dzielące jednocześnie oba te zbiory na dwa podzbiory o tych samych miarach. Dowód tego twierdzenia stanowi świetny, a zarazem prosty przykład wykorzystania fundamentalnych twierdzeń topologii - Twierdzenia Darboux i twierdzenia Borsuka-Ulama o antypodach, w jednym i dwóch wymiarach. Twierdzenie o kanapce z szynką i serem (n = 3). Niech A, A 2, A 3 będą zwartymi podzbiorami przestrzeni R 3. Wówczas istnieje jedna płaszczyzna dzieląca jednocześnie wszystkie trzy zbiory na dwa podzbiory o tych samych miarach. Dowód przypadku n-wymiarowego zrealizujemy w kilku krokach. Najpierw skonstruujemy jednoznaczny podział dowolnej przestrzeni R n który będzie wyznaczony przez punkt u S n - czemu poświęcimy osobny paragraf. Następnie pokażemy, że specjalnie zdefiniowane miary - odpowiadające miarom dwóch części dzielonych zbiorów tworzą funkcję ciągłą co pozwoli nam skorzystać z twierdzenia Borsuka-Ulama.

2. Konstrukcja półprzestrzeni Kolejną konstrukcją pomocną w dowodzie będzie określenie pewnego szczególnego podziału przestrzeni R n na dwie półprzestrzenie. Chcielibyśmy pokazać, że istnieje pewne przyporządkowanie każdemu punktowi u ze sfery S n półprzestrzeni w R n. S n u R n u R n W czasie konstrukcji wskażemy kilka ciekawych własności tego przyporządkowania. Wybierzmy zatem punkt u = (u 0, u,..., u n ) S n. Zauważmy, że tworząc zbiór tych wszystkich x = (x 0, x,..., x n ) R n+ dla których zachodzi: u x = 0 () definiujemy jednoznacznie hiperpłaszczyznę n-wymiarową zanurzoną w R n. Hiperpłaszczyzna () jest ortogonalna do wektora zaczepionego w początku układu, kończącego się w punkcie u. W celu zrozumienia tego przyporządkowania proponuję przyjrzeć się Rysunkowi który przedstawia sferę S, dwa różne przypadki wyboru punktu u i hiperpłaszczyznę odpowiadającą tym punktom (prosta zaznaczona na niebiesko). - - - - - - - - - - - - Rysunek : Określenie hiperpłaszczyzny (R) u x = 0 dla przypadku R 2 Widzimy również, że ta hiperpłaszczyzna dzieli naszą przestrzeń R n+ na dwie części (na część zawierającą punkt u i niezawierającą punktu u), a mianowicie na przypadek u x < 0 i u x > 0. Zatem, mając dany punkt u S n możemy określić jednoznacznie podział przestrzeni R n+ na dwie połprzestrzenie. Interesuje nas jednak podział przestrzeni R n. Uprośćmy zatem rozważania jedynie do takich x R n+, że x 0 =. Reasumując, przypiszmy każdemu punktowi u = (u 0, u,..., u n ) S n półpłaszczyznę R n spełaniającą warunki: u x 0 u 0 x 0 + u x +... + u n x n < 0 x 0 = 2

Połączenie dwóch powyższych warunków prowadzi wprost do definicji: Definicja. Półprzestrzenią dla u S n nazywamy zbiór: h+ (u) = {(x, x2,..., xn ) Rn xu + x2u2 +... + xnun < u0} (2) Podczas gdy same przekształcenia algebraiczne wydają się oczywiste to graficzne wyobrażenie tej definicji, nawet w małych wymiarach, może okazać się dość kłopotliwe. Dlatego Spójrzmy na Rysunek 2 który przedstawia przykłady takich rozumowań dla S i S 2. 0 - - - 0 - - - 0 - - - Rysunek 2: Przykłady półprzestrzeni dla S i S 2 Z lewej strony widzimy konstrukcję z rysunku pierwszego, i dodajemy prostą x =. Po tym ograniczeniu widzimy podział -wymiarowej przestrzeni (tej właśnie prostej) na dwie półprzestrzenie (pomarańczową na dole i niebieską u góry). Nasza konstrukcja nadaje punktowi zaznaczonemu na sferze pomarańczową półprzestrzeń. Z prawej strony widzimy wektor poprowadzony od środka sfery S 2 do punktu u S 2 (zielony). Następnie kolorem błękitnym oznaczamy płaszczyznę normalną. Analogicznie, ta płaszczyzna dzieli 3 na dwie części. Ograniczając się jedynie do przypadku x = otrzymujemy podział 2-wymiarowej przestrzeni na dwie półprzestrzenie (pomarańczową i niebieską). Nasza konstrukcja nadaje punktowi zaznaczonemu na sferze pomarańczową półprzestrzeń. R Najciekawszą, a zarazem najważniejszą cechą tego specjalnego podporządkowania jest jego zachowanie dla punktów antypodycznych. Spoglądając na Rysunek 2 widzimy, że punkt antypodyczny u do wybranego u zada tę samą płaszczyznę normalną, jednakże ze względu na to, że znajduje się po drugiej stronie, półprzestrzenią dla u będzie ta oznaczona kolorem niebieskim. Znajdując definicję (2) dla punktu u dostajemy: x ( u ) + x2 ( u2 ) +... + xn ( un ) < u0 (x u + x2 u2 +... + xn un ) < u0 x u + x2 u2 +... + xn un > u0 3

co natychmiast dowodzi naszą obserwację. Zamykając nasze wyprowadzenia, warto jeszcze spojrzeć na przypadki skrajne. Wyobraźmy sobie przypadek -wymiarowy i punkt u = (, 0). Zauważmy, że płaszczyzną normalną dla tego wektora będzie x = 0. Będzie ona zatem równoległa do płaszczyzny x = do której się ograniczamy.. Stąd wynika, że punktowi u = (, 0) będzie przypisana półpłaszczyzna pusta. Punktowi u = (, 0) będzie natomiast (jako punktowi antypodycznemu) przypisana cała przestrzeń. To ostatnie można również bez problemu sprawdzić analitycznie i spostrzec geometrycznie. 3. Dowód Twierdzenie o n-kanapce. Niech K, K 2,..., K n R n będą zbiorami zwartymi. Wówczas istnieje hiperpłaszczyzna która dzieli każdy z tych zbiórw na dwa pozbiory o równych miarach. Dowód. Zdefiniujmy dla i n miary odpowiadające naszym zbiorom: µ i (A) = µ(a K i ) Miary µ i pozostają miarami Radona, czyli w szczególności są lokalnie skończone. Wiemy więc, że nie istnieje zbiór C dla którego µ i (C) =. Dodatkowo zauważmy, że µ i (R) = µ(k i ) <. Niech f : S n R n będzie funkcją zadaną po współrzędnych: f i (u) = µ i (h + (u)) Jako, że dla każdego i, µ i (R) jest skończona, to miara półprzestrzeni również jest skończona i możemy mówić o dobrze zdefiniowanym odwzorowaniu. Zauważmy, że z twierdzenia Borsuka-Ulama wynika, że istnieje takie u S n dla którego zachodzi: f(u) = f( u) µ i (h + (u)) = µ i (h + ( u)) Ale skoro punkty antypodyczne zadają dwie przeciwne półprzestrzenie, a miara µ i całej przestrzeni jest miarą zbioru K i, to musi istnieć punkt u S n który rozdziela każdy zbiór K i na dwie równe części. Twierdzenie Borsuka-Ulama zakłada jednak ciągłość funkcji f co należy zbadać. Weźmy zatem dowolne u S n oraz ciąg x (k) S n taki, że lim x (k) = u. Chcemy pokazać, że lim f(x (k) ) = f(u). Czyli dla dowolnego i n: lim µ i(h + (x (k) )) = µ i (h + (u)) (3) Jeżeli zdefiniujemy g k jako funkcję charakterystyczną zbioru h + (x (k) ), a g u zbioru h + (u) to otrzymamy równoważne pytanie: g k (y)dµ i = g u (y)dµ i (4) lim Miara Radona to miara wewnętrznie regularna tj. dla dowolnego borelowskiego B, µ(b) = sup(µ(k)) gdzie K B są zwarte, oraz lokalnie skończona tj. każdy punkt przestrzeni ma skończone otoczenie. 4

Najlepszym sposobem by wykazać tą równość jest: Twierdzenie Lebesgue a o zbieżności ograniczonej. Niech {f n } n= : X R będzie ciągiem funkcji mierzalnych takich. Jeżeli: istnieje funkcja całkowalna g : X R taka, że dla prawie każdego x X i dowolnego n N zachodzi f n (x) g(x) dla prawie każdego x X istnieje granica f ciągu {f n } n= : lim f n(x) = f(x) n to zachodzi równość: fdµ = lim n f n dµ. Wracając do naszych rozważań, wystarczy więc pokazać, że funkcje g k są ograniczone oraz że lim g k (y) = g u (y) µ-prawie wszędzie. Jako, że funkcja charakterystycza przyjmuje wartości jedynie 0 i to jest ograniczona przez h która jest całkowalna według miar µ i. Pozostaje nam tylko sprawdzenie drugiego faktu. Zrobimy to w dwóch częściach - dla y h + (u) i y / h + (u). Skoro y = (y,..., y n ) h + (u) to z definicji półpłaszczyzny mamy: y u + y 2 u 2 +... + y n u n < u 0 Niech δ := u 0 (y u +y 2 u 2 +...+y n u n ) > 0. Skoro wiemy, że x (k) = (x (k) 0, x (k),..., x (k) n ) u to z definicji Cauchy ego możemy znaleźć takie N i, że dla każdego k > N i dostaniemy, i x (k) i > u i δ (współczynnik przy δ może być dowolny). Jeżeli że x (k) i < u i + δ zdefiniujemy N := max N i to dostaniemy, że dla każdego k > N: n y i x (k) i < y ( u + δ ) ( + y 2 u 2 + δ ) ( +... + y n u n + δ ) = 2ny 2ny 2 2ny n ( n ) y i u i + δ ( n ) 2 = y i u i + δ δ 2 = u 0 δ 2 < u 0 δ 2ny 0 < x k 0 Co dowodzi, że dla k > N dowolny y h + (u) zawiera się również w h + (x (k) ). Stąd dla k > N mamy g k (y) = czyli g k (y) g u (y) dla y h + (u). Rozpatrzmy przypadek y / h + (u). Skoro wiemy, że y u + y 2 u 2 +... + y n u n > u 0 to analogicznie zdefiniujmy δ = y u + y 2 u 2 +... + y n u n u 0 > 0. Istnieje wówczas takie k > N, że u i δ < x (k) i < u + δ. Czyli mamy: x (k) 0 < δ + u 0 < δ ( n ) 2ny 0 2 + u 0 < y i u i δ n ( 2 = y i u i δ ) n < y i x (k) i Co pokazuje, że również dla dowolnego y / h + (u), g k (y) g u (y). Zatem funkcje g k spełniają Twierdzenie Lebesgue a o zbieżności ograniczonej, co dowodzi (4) oraz (3). Można więc skorzystać z twierdzenia Borsuka-Ulama co kończy dowód. 5

Literatura [] Jiri Matousek: Using the Borsuk-Ulam Theorem, Lectures of Topological Methods in Combinatorics and Geometry, Springer 2008. [2] Brian Libgober: The Borsuk-Ulam and Ham Sandwitch Theorems, VIGRE 2008. [3] J. Górnicki, E.Pietrzak Niezwykłe konsekwencje twierdzenia Bolzano. 6