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.
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。
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.
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.
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。
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。
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
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.
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).
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》
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