数学之美(29)——跑不掉的老鼠(不动点)

数学的美是从多个角度看待问题,你会发现不一样的结果,而殊途同归,最后都回归于某一个实质性的理论上。

今天介绍的是不动点理论.

猫抓老鼠

从猫抓老鼠谈起

我们假设有一只猫,它捕食的范围是一条线段(较长);有一只老鼠,它的活动范围也是一条线段(较短),

我们将两条线段放在一起,较短的线段两端不能伸出较长线段两侧,(如图1)

我们不难发现,老鼠是一定要被猫捉到的。

图1  1只猫、1只老鼠

如果增加到2只猫,2只老鼠呢?假如猫1捕食老鼠1,猫2捕食老鼠2. 见图2.

图2 两只猫、两只老鼠

我们也不难发现,在不超过蓝色线段边界的前提下,无论怎么移动红色线段,都至少有一只老鼠在对应的猫的葡式范围内.

如果增加到3只猫,3只老鼠呢?见图3.

图3 三只猫三只老鼠

同样的道理,总有那么一只“倒霉”的老鼠被抓它的猫逮住。

那么老鼠的活动范围不一样大呢?如图4所示。

图4

无论我们怎么改变红色线段长短,至少有一只老鼠要被抓住。

增加到4只猫,4只老鼠;5只猫,5只老鼠呢?结果是不是一样的呢?

结果仍然一样,不管你如何划分线段,也不管老鼠的线段在猫的范围内如何移动,至少一只老鼠被逮着。

图5 五只猫和五只老鼠

是不是因为猫和老鼠太少了,才会出现这种情况呢?

你自己可以画一些类似的图,将长短两条线段分成10份,20份,30份……顺次标上号码,你会惊奇的发现,总有两个相同的数字出现在了一起。

这有什么道理吗?

其实很好理解,见图6,我们将一长一短两条线段分成1000份,标上1,2,3,……1000数字


图6 简单说明

我们假设将短的1000与长的3的边界相对应,1和997边界对应,

不难发现,上方数字(4~996)越来越大,下方数字(1000~1)越来越小,那么势必存在一个时刻,数字相同。

这好比两个人比赛跑步一样,乙先跑了一段距离,甲在后面追他,甲的速度比乙快,超过了乙。那么存在一瞬间甲和乙齐头并进。

图6中的数字顺序可以回调,意思一样。

这是一维线段的问题,如果扩展到2维呢?如图7.

图7  二维展示

不难发现,我们怎么选择红色的小长方形,或者按某种比例缩小红色长方形,总存在至少一处数字相同。

这是规则图形,不规则图形呢?也是如此,比如我们将中国地图缩小,随意丢在(可旋转)原版地图上,那么一定存在一点地理坐标一致(即地点重叠).

地图重叠

如果扩展到三维空间呢?

我们将缩小后的地图揉成一团,而后随意防灾原版地图上,仍然会有一个点重合。

这个点是一定存在的,怎么找到这个点是很难的问题了。

现在拓扑学家已经证明了不动点问题的存在。

在数学中,布劳威尔不动点定理是拓扑学里一个非常重要的定理,它可应用到有限维空间,并构成了一般不动点定理的基石。

不动点问题实际上就是各种各样的方程的求解问题 ,在数学上非常重要,也有很多的实际应用。

涉及的领域有阿蒂亚-鲍特不动点定理、波莱尔不动点定理、布劳尔不动点定理、卡若斯梯不动点定理、对角线引理、不动点性质、

射度量空间、角谷不动点定理、克莱尼不动点定理、伍兹霍尔不动点定理、拓扑度理论等方面. 

【参考文献】张景中——《数学杂谈》

欢迎关注微信公众号——趣味数学故事.

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 212,222评论 6 493
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 90,455评论 3 385
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 157,720评论 0 348
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 56,568评论 1 284
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 65,696评论 6 386
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 49,879评论 1 290
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 39,028评论 3 409
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 37,773评论 0 268
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 44,220评论 1 303
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 36,550评论 2 327
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,697评论 1 341
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 34,360评论 4 332
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 40,002评论 3 315
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,782评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,010评论 1 266
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 46,433评论 2 360
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 43,587评论 2 350

推荐阅读更多精彩内容