Satz vom Igel

Beispiel für einen „gekämmten Igel“ mit einem Pol

Der Satz vom Igel, auch Igelsatz oder Satz vom gekämmten Igel, {{#invoke:Vorlage:lang|full|CODE=en|SCRIPTING=Latn|SERVICE=englisch}}, 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<ref>L.E.J. Brouwer. Über Abbildung von Mannigfaltigkeiten / Mathematische Annalen (1912) Volume: 71, page 97-115; {{#invoke:URIutil|{{#ifeq:1|1|linkISSN|targetISSN}}|0025-5831|0}}{{#ifeq:1|0|[!] }}{{#ifeq:0|1

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}}; 1432-1807/e, full text</ref> mit Hilfe des Satzes von Poincaré-Hopf bewiesen werden konnte. In der Physik wird der Satz auch mit dem Problem des globalen Windes verknüpft.

Formulierung des Igelsatzes

Auf einer Sphäre <math>\mathbb{S}^n</math> gibt es genau dann ein tangentiales, stetiges, nirgends verschwindendes Vektorfeld, wenn <math>n</math> 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.<ref name="Harzheim">Egbert Harzheim: Einführung in die Kombinatorische Topologie. 1978, S. 176–177.</ref>

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:<ref name="Harzheim" />

Für jedes <math>m \in \mathbb{N}</math> und für jede stetige Abbildung <math>f \colon \mathbb{S}^{2m} \to \mathbb{R}^{2m+1}</math> existiert ein <math>x_0 \in \mathbb{S}^{2m}</math> und ein <math>\lambda \in \mathbb{R}</math> mit <math>f(x_0) = \lambda \cdot x_0</math>.

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.<ref name="Milnor">John Milnor: Analytic proofs of the “hairy ball theorem” and the Brouwer fixed-point theorem. American Mathematical Monthly 85 (1978), S. 521–524.</ref><ref>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“.</ref>

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.
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Weblinks

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Einzelnachweise und Fußnoten