五個與生活息息相關的數學定理

誰說數學是枯燥的？今天介紹幾個與生活息息相關的數學定理，這些充滿生活氣息的數學定理，不但深受數學家們的喜愛，而且在數學迷的圈子里也廣為流傳。

定理1：喝醉的酒鬼總能找到回家的路，喝醉的小鳥則可能永遠也回不了家，

假設有一條水平直線，從某個位置出發，每次有50%的概率向左走1米，有50%的概率向右走1米，按照這種方式無限地隨機游走下去，最終能回到出發點的概率是多少？答案是100%，在一維隨機游走過程中，只要時間足夠長，我們最終總能回到出發點。

有一個喝醉的酒鬼，他在街道上隨機游走，假設整個城市的街道呈網格狀分布，酒鬼每走到一個十字路口，都會以相等的概率選擇一條路（包括自己來時的那條路）繼續走下去，那么他最終能夠回到出發點的概率是多少呢？答案也還是100%，剛開始時，這個醉鬼可能會越走越遠，但最后他總能找到回家路。

不過，醉酒的小鳥就沒有這么幸運了，假如一只小鳥在飛行時，每次都從上、下、左、右、前、后幾個方向中概率均等地選擇一個方向，那么它很有可能永遠也回不到出發點，事實上，在三維網格中隨機游走，最終能回到出發點的概率只有大約34%。

這個定理是著名數學家波利亞（George P6lva）在1921年證明的，隨著維度的增加，回到出發點的概率將變得越來越低，在四維網格中隨機游走，最終能回到出發點的概率是19.3%，而在八維空間中，這個概率只有7.3%。

定理2：把一張當地的地圖平鋪在地上，總能在地圖上找到一點，這個點下面的地上的點正好就是它在地圖上所表示的位置。

如果在商場的地板上畫了一張整個商場的地圖，那么你總能在地圖上精確地作一個“你在這里”的標記。

1912年，荷蘭數學家布勞威爾（Luiten Brouw-er）證明了這么一個定理：假設D是某個圓盤中的點集，∫是一個從D到它自身的連續函數，則一定有一個點x，使得∫（x）=x換句話說，讓一個圓盤里的所有點做連續運動，則總有一個點可以正好回到運動之前的位置，這個定理叫做布勞威爾不動點定理（Brouwer fixed pointtheorem）。

除了上面的“地圖定理”，布勞威爾不動點定理還有很多其它奇妙的推論，如果取兩張大小相同的紙，把其中一張紙揉成一團之后放在另一張紙上，根據布勞威爾不動點定理，紙團上一定存在一點，它正好位于下面那張紙的同一個點的正上方。

這個定理也可以擴展到三維空間中去：當你攪拌完咖啡后，一定能在咖啡中找到一個點，它在攪拌前后的位置相同（雖然這個點在攪拌過程中可能“到過”別的地方）。

定理3：你永遠不能理順椰子上的毛，

想象一個表面長滿毛的球體，你能把所有的毛全部梳平，不留下任何像雞冠一樣的一撮毛或者像頭發一樣的漩嗎？拓撲學告訴你，這是辦不到的，這叫做毛球定理（haairy ball tlleorem），它也是由布勞威爾首先證明的，用數學語言來說，就是在—個球體表面，不可能存在連續的單位向量場，這個定理可以推廣到更高維的空間：對于任意一個偶數維的球面，連續的單位向量場都是不存在的。

毛球定理在氣象學上有一個有趣的應用：由于地球表面的風速和風向都是連續的，因此由毛球定理可知，地球上總會有一個風速為0的地方，也就是說氣旋和風眼是不可避免的。

定理4：在任意時刻，地球上總存在對稱的兩點，他們的溫度和大氣壓的值正好都相同，

波蘭數學家烏拉姆（stanistaw Marcin Ulam）曾經猜想，任意給定一個從n維球面到n維空間的連續函數，總能在球面上找到兩個與球心相對稱的點，他們的函數值是相同的，1933年，波蘭數學家博蘇克（Karol Borsuk）證明了這個猜想，這就是拓撲學中的博蘇克一烏拉姆定理（Borsuk-Ulam theorem）。

博蘇克一烏拉姆定理有很多推論，其中一個推論就是，在地球上總存在對稱的兩點，他們的溫度和大氣壓的值正好都相同（假設地球表面各地的溫度差異和大氣壓差異是連續變化的），這是因為，我們可以把溫度值和大氣壓值所有可能的組合看成平面直角坐標系上的點，于是地球表面各點的溫度和大氣壓變化情況就可以看作是二維球面到二維平面的函數，由博蘇克一烏拉姆定理便可推出，一定存在兩個函數值相等的對稱點。

當n=1時，博蘇克一烏拉姆定理則可以表述為，在任意時刻，地球的赤道上總存在溫度相等的兩個點，對于這個弱化版的推論，我們有一個非常直觀的證明方法：假設赤道上有A、B兩個人，他們站在關于球心對稱的位置上，如果此時他們所在的地方溫度相同，問題就已經解決了，下面我們只需要考慮他們所在地點的溫度一高一低的情況，不妨假設，A所在的地方是10度，B所在的地方是20度，現在，兩人以相同的速度相同的方向沿著赤道旅行，保持兩人始終在對稱的位置上，假設在此過程中，各地的溫度均不變，在旅行過程中，兩人不斷報出自己所在地的溫度，等到兩人都環行赤道半周后，A就到了原來B的位置，B也到了A剛開始時的位置，在整個旅行過程中，A所報的溫度從10開始連續變化（有可能上下波動甚至超出10到20的范圍），最終變成了20;而B經歷的溫度則從20出發，最終連續變化到了10.那么，他們所報的溫度值在中間一定有“相交”的一刻，這樣一來我們也就找到了赤道上兩個溫度相等的對稱點。

定理5：任意給定一個火腿三明治，總有一刀能把它切開，使得火腿、奶酪和面包片恰好都被分成兩等份，

有趣的是，這個定理的名字真的就叫做“火腿三明治定理”（ham sandwich theorem），它是由數學家亞瑟·斯通（Anhur stone）和約翰·圖基（John Tukey）在1942年證明的，在測度論中有著非常重要的意義。

火腿三明治定理可以擴展到n維的情況：如果在n維空間中有n個物體，那么總存在一個n-1維的超平面，它能把每個物體都分成“體積”相等的兩份，這些物體可以是任何形狀，還可以是不連通的（比如面包片），甚至可以是一些奇形怪狀的點集，只要滿足點集可測就行了。