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ブラウワーの不動点定理と同値な命題

ナンブキトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文書ではブラウワーの不動点定理と同値な命題を紹介する. 同値性しか紹介しないので,実際にこれらを使って楽に不動点定理を証明できるとかそういう効能はない. 一応閉球体からその境界へのレトラクトが存在しないことをホモロジーを用いて紹介している. これらの命題はおいおいユークリッド空間の位相次元を計算する記事だとか領域不変性定理の記事だとかで用いられる予定だとかである.

1 本文

定義 1.

Xを位相空間とし A, B, Cをその部分集合とする. AB=と仮定する. このときCABを分離する とは開集合UVが存在して AU, BV, UV=そして XC=UV を満たす時にいう. この時必然的にCは閉集合になることに注意しよう.

まずは次の準備補題から始めよう.

補題 2.

A[1,1]の閉集合で尚且つ {1}{1} を分離しているとする. そして [1,1]A=UVとし 1Vとする. このときVの任意の元xについて

|xd(x,A)|1

である.

証明.

まず最初に 0xd(x,A) のときを考える. このとき0d(x,A)なので |xd(x,A)|xd(x,A)x1 がわかる. 次に0d(x,A)xのときを考える. このときc=minAについて, A{1}{1} を分離することから 1<cである. またUVの定義と1Vであることから c<xである. よって d(x,A)|xc|=xcとなる. すると |xd(x,A)|=d(x,c)x=xcx=c<1 となる. ∎

定義 3.

n1とする. このとき 𝐃n={xnx1} とし 𝐒n1={xnx=1} と定義する.ここでノルムは通常の内積から誘導されるノルムとする.つまり 𝐃nn次元閉球体で 𝐒n1はその境界であるn1次元球面である.

定義 4.

n1とし, i{1,,n} とする. このとき 𝐈n=[1,1]n と定義し 𝐈+n,i={x𝐈nxi=1}𝐈+n,i={x𝐈nxi=1} と定義する. さらに 𝐈n𝐈nの境界集合 とする. このとき 𝐈n=i=1n𝐈+n,i𝐈n,i であることに注意しよう. また 𝐈n𝐃nに同相であり, 𝐈n𝐒n1 に同相であることにも注意しよう.

この文書の主定理は以下である.

定理 5.

n1について以下は同値である.

  1. (1)

    (No retraction theorem) レトラクション r:𝐃n𝐒n1 は存在しない.

  2. (2)

    (Brouwer’s fixed point theorem) 任意の連続写像 f:𝐃n𝐃n は不動点を持つ.

  3. (3)

    i{1,,n}を添字とする 閉集合Ci𝐈n の族が𝐈+n,i𝐈n,i を分離するならば i=1nCi を成り立つ.

  4. (4)

    (the Poincaré-Miranda theorem) i{1,,n}を添字とする連続写像の族 fi:𝐈nfi(𝐈+n,i)[0,)fi(𝐈n,i)(,0] を満たすならば, ある点p𝐈n が存在して fi(p)=0が成り立つ. つまり共通零点が存在する.

証明.

[(1)(2)] いつものやつである. 不動点を持たない連続写像 f:𝐃n𝐃n が存在するとしよう. このとき このときf(x)から xへと線分を伸ばして 𝐒n1と交わる点をr(x)と定義すると, これは𝐒n1上ではr(x)=xを満たす. またxyが十分近いときに (1t)f(x)+tx(1t)f(y)+tyも十分近いという事実から rの連続性も従う(凸な基本近傍形が取れるなどの事実も使うのだろう). あるいは(1t)f(x)+txのノルムが1になるt>0を二次方程式を解いて具体的に記述するのでも良い. とにかく連続なレトラクション r:𝐃n𝐒n1 が存在するので(1)に反し, 背理法により (2)が成り立つ.

[(2)(3)] 各i{1,,n} に対して 𝐈n の開集合Pi, Ni𝐈nCi=NiPi𝐈+n,iPiかつ 𝐈n,iNi を満たすものをとってくる. このような開集合の組みは複数個あり得るかもしれないがとにかく一つとってくる(Ciの補集合の連結成分が二つより大きいことがあり得るからである). そして 写像mi:𝐈n

mi(x)={d(x,Ci)xCiPid(x,Ci)xCiNi

と定義する. このとき CiPiCiNi はともに閉集合で, これらの共通部分である Ci上では d(x,Ci)d(x,Ci)は同じ値0を取り, CiPiCiNi上ではもちろん連続なので 貼り合わさって miはちゃんと定義され連続になる. そして fi:𝐈n

fi(x)=ximi(x)

と定義する. このとき |fi(x)|1 となることを今から証明しよう. xPiのときのみ証明する.他の場合は同様に証明できる. このときfi(x)=xid(x,Ci)である. まず 0xid(x,Ci) のときは0d(x,Ci)なので

|fi(x)|=xid(x,Ci)xi1

であるから求める結果が成り立つ. 次に0d(x,Ci)xiの場合を調べる. このとき xを通る直線で 𝐈+n,i𝐈n,iに垂直なもの,つまり L={z𝐈nzk=xk,ki} を考える.そしてaL𝐈+n,iを構成する唯一の点とし 同様にbL𝐈n,iを構成するただ唯一の点とする.つまりai成分が1でそれ以外が xと同じ成分であり,bi成分が1でそれ以外が xと一致するものである. するとLCiLの部分集合として abを分離する. 今L[1,1]を同一視すれば 補題2が適応できて |xid(x,LCi)|1となる. さて|fi(x)|を計算しよう.

|fi(x)|=d(x,Ci)xid(x,LCi)xi=|d(x,LCi)xi|1

以上の計算より求める不等式を得る. 上の議論からどんな状況においても |fi(x)|1が成り立つことがわかった. ここで写像f:𝐈n𝐈nf=(f1,,fn)で定義する.さっき証明した不等式からfの地域はちゃんと𝐈n になっている. よって(2)から不動点pが存在する. fの定義からこのpd(p,Ci)=0を満たす. つまりpi=1nCi なのでi=1nCi がわかるので (3)が成り立つ.

[(3)(4)] 各i{1,,n}k0について Li,k={x𝐈n|xi|12k} とおく. そして 写像 wi,k:𝐈n𝐈n

wi,k(x)=xid(x,Li,k)

と定義する. そしてgi:𝐈n𝐈ngi,k(x)=fi(x)+wi,k(x) と定義する. この時常に gi,k(𝐈+n,i)(0,)gi,k(𝐈n,i)(,0) である. よって Ci,k=g1({0})𝐈+n,i𝐈n,i を分離する閉集合である. 故に (3)から i=1nCi,k である.この集合から点pkをとる. このとき𝐈n のコンパクト性から収束する部分列{pϕ(k)}k0が存在する.その収束先をpとする. さてgi,kfiに一様収束するので, kのとき gi,ϕ(k)(pϕ(k))fi(p) である. よって任意のi{1,,n} についてfi(p)=0となる. つまり (4) が成り立つ.

[(4)(1)] まず𝐈n𝐃n, そして 𝐒n1𝐈n を同一視する. 背理法のためにレトラクション r:𝐈n𝐈n が存在すると仮定する. このときrの各成分riはもちろん ri(𝐈+n,i)[0,)ri(𝐈n,i)(,0] を満たすので,(4)からあるp𝐈n が存在してr(p)=0を満たす. しかしこれは rの値域が 𝐈n であることに反するので 上記のようなレトラクションは存在しえない. よって (1) が成り立つ. ∎

上の定理だけだと,同値性しか証明していないので, 不動点定理が実際に正しいのかどうかは判断できない. しかし以下のことが知られているので,上で述べたすべての命題は正しいことがわかる.

定理 6.

任意のn1について レトラクションr:𝐃n𝐒n1 は存在しない.

証明.

n=1のときは中間値の定理からレトラクションの不存在がわかる.以下では1<nとする. また Hi()でホモロジー群の関手を表すとする. 上記のようなレトラクションが存在したとしよう. このときι𝐒n1から 𝐈nへの包含写像として rι=1𝐒n が成り立つので,n1について

Hn1(r)Hn(ι)=Hn1(1𝐒n)=1Hn1(𝐒n1)

となる. 故にHn1(ι):Hn1(𝐒n1)Hn1(𝐃n) は単射になる. ところで Hn1(𝐃n){0}Hn1(𝐒n1) なので, 単射Hn1(ι)の存在はあり得ない. よって レトラクションrは存在しえない. ∎

注意.

一応ホモロジーなどの結構高等な概念を使わずに, 逆関数定理や積分の変数変換公式を使って ブラウワーの不動点定理を証明できる. 電波通信の記事[2]を参照のこと.

球面や球体の ホモロジーの計算などは [1]などに載っている.

References

  • [1] みなずみ, webページ 数学ノート単純思考 「切除定理」, https://minazumi.com/math/note/tgy/ch02sec02.html
  • [2] 電波通信 「不動点定理」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2017/08/27/182714
  • [3] W.Hurewicz and H.Wallman,Dimension Theory,Princeton Univ. Press,1948
  • [4] W. Kulpa, The Poiancré–Miranda Theorem, Am. Math. Mon. 104, No. 6, 545–550 (1997) doi: 10.2307/2975081