Satz vom Igel

Der Satz vom Igel, auch Igelsatz oder Satz vom gekämmten Igel, englisch Hairy ball theorem, ist ein Resultat des mathematischen Teilgebiets der Topologie. Dieser Satz wird bei manchen Autoren auch Satz von Poincaré-Brouwer genannt, da er von Luitzen Egbertus Jan Brouwer im Jahre 1912[1] mit Hilfe des Satzes von Poincaré bewiesen werden konnte. In der Physik wird der Satz auch mit dem Problem des globalen Windes verknüpft.

Beispiel für einen „gekämmten Igel“ mit einem Pol

Formulierung des Igelsatzes

Auf einer Sphäre

\mathbb {S} ^{n}

gibt es genau dann ein tangentiales, stetiges, nirgends verschwindendes Vektorfeld, wenn

n

ungerade ist.

Merkspruch

Dass insbesondere ein derartiges tangentiales, stetiges und nirgends verschwindendes Vektorfeld für die 2-Sphäre, also für die Oberfläche einer dreidimensionalen Raumkugel, nicht existiert, ist in dem folgenden Merkspruch anschaulich zusammengefasst:

Jeder stetig gekämmte Igel hat mindestens einen Glatzpunkt.

Einem solchen Glatzpunkt entspricht dabei eine „kahle Stelle“, also eine Nullstelle des stetigen tangentialen Vektorfeldes. Aus diesem Merkspruch erklärt sich auch die Bezeichnung „Igelsatz“, die auf David Hilbert zurückgeht.[2]

Interpretation in der Physik

Interpretiert man den Satz vom Igel im physikalischen Sinne, so kann prinzipiell nicht überall auf der Erde zugleich Wind wehen – es muss auf der Oberfläche eines dreidimensionalen kugelförmigen Planeten immer windstille Stellen geben (daher auch die Bezeichnung „Problem des globalen Windes“). Eine ebene Fläche kann dagegen stetig ohne kahle Stellen gekämmt werden. Das gilt auch für einen Torus.

Verallgemeinerung

Der Satz vom Igel folgt unmittelbar aus dem folgenden allgemeineren Satz, der bei manchen Autoren ebenfalls als Satz von Poincaré-Brouwer bezeichnet wird:[2]

Für jedes

m\in \mathbb {N}

und für jede stetige Abbildung

f\colon \mathbb {S} ^{2m}\to \mathbb {R} ^{2m+1}

existiert ein

x_{0}\in \mathbb {S} ^{2m}

und ein

\lambda \in \mathbb {R}

mit

f(x_{0})=\lambda \cdot x_{0}

.

Der Satz vom Igel lässt sich auch direkt aus dem Satz von Poincaré-Hopf ableiten.

Analytischer Zusammenhang

John Milnor hat 1978 einen elementaren analytischen Beweis des Igelsatzes gegeben und dabei zugleich gezeigt, dass der Brouwersche Fixpunktsatz direkt auf ihn zurückgeführt werden kann.[3][4]

Quellen

R. Abraham, Jerrold E. Marsden, T. Ratiu: Manifolds, tensor analysis, and applications. (= Applied mathematical sciences 75). 2. Auflage. Springer, New York NY u. a. 1988, ISBN 0-387-96790-7.
Philippe G. Ciarlet: Linear and Nonlinear Functional Analysis with Applications. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia, PA 2013, ISBN 978-1-61197-258-0. MR3136903
Egbert Harzheim: Einführung in die Kombinatorische Topologie (= Die Mathematik. Einführungen in Gegenstand und Ergebnisse ihrer Teilgebiete und Nachbarwissenschaften). Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1978, ISBN 3-534-07016-X (MR0533264).
John Milnor: Analytic proofs of the “hairy ball theorem” and the Brouwer fixed-point theorem. In: American Mathematical Monthly. Band 85, 1978, S. 521–524, JSTOR:2320860. MR0505523

Weblinks

Commons: Hairy ball theorem – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise und Fußnoten

L.E.J. Brouwer. Über Abbildung von Mannigfaltigkeiten / Mathematische Annalen (1912) Volume: 71, page 97-115; ISSN 0025-5831; 1432-1807/e, full text
Egbert Harzheim: Einführung in die Kombinatorische Topologie. 1978, S. 176–177.
John Milnor: Analytic proofs of the “hairy ball theorem” and the Brouwer fixed-point theorem. American Mathematical Monthly 85 (1978), S. 521–524.
Der französische Mathematiker Philippe Ciarlet bezeichnet in seiner Monographie Linear and Nonlinear Functional Analysis with Application (vgl. dort Fußnote 84, S. 765) John Milnors Beweis des Igelsatzes als „strikingly ingenious“ und dessen dazu 1978 gelieferte Arbeit als „little gem of a paper“.

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[1] L.E.J. Brouwer. Über Abbildung von Mannigfaltigkeiten / Mathematische Annalen (1912) Volume: 71, page 97-115; ISSN 0025-5831; 1432-1807/e, full text

[Harzheim-2] Egbert Harzheim: Einführung in die Kombinatorische Topologie. 1978, S. 176–177.

[Milnor-3] John Milnor: Analytic proofs of the “hairy ball theorem” and the Brouwer fixed-point theorem. American Mathematical Monthly 85 (1978), S. 521–524.

[4] Der französische Mathematiker Philippe Ciarlet bezeichnet in seiner Monographie Linear and Nonlinear Functional Analysis with Application (vgl. dort Fußnote 84, S. 765) John Milnors Beweis des Igelsatzes als „strikingly ingenious“ und dessen dazu 1978 gelieferte Arbeit als „little gem of a paper“.