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
不动点定理,它可应用到有限维空间并构成了一般不动点定理的基石。布劳威尔不动点定理得名于荷兰数学家鲁伊兹·布劳威尔(
荷兰语:L. E. J. Brouwer)。
布劳威尔不动点定理说明:对于一个
拓扑空间中满足一定条件的连续函数 ,存在一个点 ,使得 。布劳威尔不动点定理最简单的形式是对一个从某个圆盘射到它自身的函数。而更为广义的定理则对于所有的从某个
欧几里得空间的凸紧子集射到它自身的函数都成立。
布劳威尔不动点定理是
代数拓扑的早期成就,还是更多更一般的
不动点定理的基础,在
泛函分析中尤其重要。在1904年,首先由Piers Bohl 证明n = 3 的情况(发表于《纯綷及应用数学期刊》之内)。后来在1909年,鲁伊兹·布劳威尔(L. E. J. Brouwer)再次证明。在1910年,
雅克·阿达马提供一般情况的证明,而布劳威尔在1912年提出另一个不同的证明。这些早期的证明皆属于非构造性的
间接证明,与
数学直觉主义理想矛盾。已知如何构造(接近)由布劳威尔不动点定理所保证的不动点,见例子 (Karamadian 1977) 和 (Istr escu 1981)。
关于不动点的定理很多,但布劳威尔不动点定理是最著名的不动点定理之一,因为它在不少领域中都有应用。 在最初的领域中,这个结果与
若尔当曲线定理、
毛球定理和
博苏克-乌拉姆定理一样,是少数刻画
欧几里得空间之拓扑性质的关键定理之一。因此,布劳威尔定理在
拓扑学中也有重要的地位。这个定理也被应用于证明各种微分方程的深入结果中,在大部分的微分几何课程中都可以见到对这个定理的介绍。即使在看上去与这个定理没有什么关系的领域,例如
博弈论中,也能见到布劳威尔定理的应用。在经济学中,布劳威尔不动点定理以及其推广:角谷静夫定理在证明经济学市场中全局平衡的存在性中扮演了重要角色。后者是由诺贝尔奖获得者
吉拉德·德布鲁和
肯尼斯·阿罗在二十世纪五十年代发展起来的。
最初研究这个定理的是专研微分方程的以
亨利·庞加莱和
皮卡为首的法国数学家,因为在证明类似
庞加莱-本迪克松定理时需要用到拓扑学的方法。19世纪末期,这个定理的各种类似的版本。一般性的定理是由法国数学家
雅克·阿达马在1910年证明的,1912年,鲁伊兹·布劳威尔给出了一个新的证明。
这个定理可以通过很实际的例子来理解。比如:取两张一样大小的白纸,在上面画好垂直的坐标系以及纵横的方格。将一张纸平铺在桌面,而另外一张随意揉成一个形状(但不能撕裂),放在第一张白纸之上,不超出第一张的边界。那么第二张纸上一定有一点正好就在第一张纸的对应点的正上方。一个更简单的说法是:将一张白纸平铺在桌面上,再将它揉成一团(不撕裂),放在原来白纸所在的地方,那么只要它不超出原来白纸平铺时的边界,那么白纸上一定有一点在水平方向上没有移动过。
这个断言的根据就是布劳威尔不动点定理在二维
欧几里得空间(欧几里得平面)的情况,因为把纸揉皱是一个连续的变换过程。