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パンもハムもチーズも 1 回で半分に、ハム・サンドイッチ定理

パン、ハム、チーズがどんな形でどこに置かれていても、1 回のまっすぐな切り込みで 3 つとも同時に半分にできます。積み重なっていても、ばらばらでも変わりません。

これがハム・サンドイッチ定理です[1]。 次元では、 個の対象を 1 枚の超平面で同時に二等分できる。

以下では 次元の回転ナイフの議論から始め、ボルスク・ウラムへの帰着、離散版、そして計算の難しさまで扱います。

主張

の中に、有限な測度を持つルベーグ可測集合が 個あるとします。

このとき、 個すべてを同時に二等分するアフィン超平面が存在します[1,3]。

ならパン・ハム・チーズを 1 枚の平面で、 なら 2 枚のパンケーキを 1 本の直線で。

使う仮定は少ない

形についての仮定がありません。凸でなくてよく、連結でなくてよい。

重なっていても差し支えありません。3 つが同じ場所にあっても、離れていても同じ主張。

要るのは測度が有限であることだけです[3]。

の回転ナイフ

次元で考えます。角度 を 1 つ決めると、その向きの直線で 1 枚目を二等分するものが存在します。中間値の定理から。

その直線が 2 枚目をどう分けるかを見ます。 を から まで回すと、直線は同じ位置に戻りますが表裏が入れ替わる[1]。

したがって 2 枚目の片側の量は、始めと終わりで大小が逆転します。途中で等しくなる角度がある。

回転させて追いかける

角度を回しながら、両方の片寄りを見ます。

直線はどの角度でも青を二等分しています。赤の片寄りだけが動く。

右のグラフが端で符号を変えるので、途中で を通ります。そこが両方を二等分する角度[1]。

ボルスク・ウラムへの帰着

一般次元では、超平面を球面でパラメータ表示します。単位ベクトル と定数から超平面 を決める。

ごとに、 番目の対象を二等分する を選びます。残る 個について片寄りを並べると、 ができる[1,3]。

対蹠点 は同じ超平面を裏返したものに当たり、片寄りの符号が反転します。ボルスク・ウラムから となる が存在し、そこで全部の片寄りが 。

超平面の向きを球面でパラメータ表示する

1 個を二等分するように位置を決める

残りの片寄りを並べて写像を作る

ボルスク・ウラムで零点をとる

歴史

シュタインハウスがスコットランドの書に問題として書き、バナッハが 1938 年にボルスク・ウラムを使って解きました[1,3]。

一般次元はストーンとタキーが 1942 年に扱っています。ストーン・タキーの定理とも呼ばれる。

数学の定理に食べ物の名前が付いた例として、よく引かれます。

ストーン・タキーの一般化

切る道具を超平面に限らなくても成り立ちます。

個の線型独立な可測関数の線型結合で書ける曲面なら、同じ主張が通る[1]。

たとえば 次元で をとれば、直線だけでなく円でも切れます。3 つの図形を 1 つの円で同時に二等分できる。

例:円で切る

平面上の 3 つの領域を、1 本の円周で同時に二等分できます。

の形の曲線を考え、 をパラメータにする。直線は半径無限大の場合として含まれます。

道具を増やせば、同時に切れる対象も増える、という構図です[1]。

離散版

点の有限集合でも同じことが言えます。赤い点と青い点が平面にあれば、両方を同時に二等分する直線が存在する[1]。

点が直線の上に乗る場合の扱いを決めておきます。どちら側に数えてもよい、とするか、除くとするか。

奇数個のときは正確に半分にできないので、「どちら側も半分未満」という形に読み替えます。

例:離散版を図で見る

赤と青の点を平面に置き、両方を同時に二等分する直線を探します。

直線はつねに赤を 2 対 2 に分けています。青の分かれ方だけが角度で変わる。

対 から 対 まで動くので、途中で 対 を通ります[1]。

例:3 つの立体を切る

の元の形が、パン・ハム・チーズの話です。

平面の自由度は 3 で、二等分の条件も 3 つ。数が釣り合っているので解が出る。

サンドイッチが崩れていても、材料が飛び散っていても成り立ちます。位置の仮定が一切ないところが定理の強み。

例:赤 5 点と青 4 点

赤が 5 点なら、直線上に 1 点を乗せて両側 2 点ずつ、とできます。

青が 4 点なら両側 2 点ずつ。同時に達成する直線が必ずある。

離散版は連続版から極限で出せます。点を小さな円板に太らせてから縮める[1]。

の中の 4 つの立体を、1 枚の平面で同時に二等分できるか。

  • 必ずできる
  • できないことがある
  • 立体が凸なら必ずできる
  • 立体が交わらなければ必ずできる
__RESULT__

次元で同時に切れるのは 個までです。 次元で 4 個は超えているので、一般には切れません。

何個までなら切れるか

次元で 個、というのが上限です。超平面のパラメータが 個の自由度しか持たないため。

向きが で 個、位置が 個。合わせて 個の条件まで課せます。

自由度と条件の数がちょうど釣り合っている、というのがこの定理の形。

個まで

自由度と条件が釣り合い、必ず解が存在します。

個以上

条件のほうが多く、一般には解がありません。切る道具を増やす必要があります。

ネックレス分割との関係

色のビーズを並べたネックレスを 2 人で分けるとき、 回の切断で足ります[4]。

連続版はハム・サンドイッチとほぼ同じ形で、区間上の 個の測度を 回の切断で二等分する主張。

離散版は連続版から丸めて出します。どちらもボルスク・ウラムが土台[4]。

計算の難しさ

存在は保証されても、見つける手続きは別の話です。

次元では 時間の最適な算法があります[1]。 次元でも を固定すれば多項式時間。

を入力の一部にすると難しくなります。ネックレス分割と同値で、PPA 完全と呼ばれる複雑性クラスに入る[1]。

多項式時間の算法は期待されていません。存在証明が非構成的であることが、そのまま計算の難しさに現れています。

存在証明と構成の隔たり

ボルスク・ウラムの証明は、矛盾を導くか位相不変量を使う形です。切る場所を教えてくれません。

タッカーの補題を使う証明は有限の手続きに落ちますが、三角形分割の細かさが必要なぶん、計算量が跳ね上がります。

「あることは分かるが探せない」という状況の代表例になっています。

よくある誤り

次元で 個を同時に切れると思う。切れるのは 個までです
図形が凸でないと使えないと思う。可測でありさえすればよい
重なっていると使えないと思う。重なりは仮定に影響しません
離散版で点がちょうど半分に割れると思う。奇数個なら割り切れません
定理が切る場所を教えてくれると思う。存在を言うだけです
次元の回転ナイフの議論を一般次元へそのまま拡げる。ボルスク・ウラムが要ります
ストーン・タキーで道具を無制限に増やせると思う。線型独立な関数の個数で決まります

参考文献

Ham sandwich theorem
Borsuk–Ulam theorem
Théorème du sandwich au jambon
Necklace splitting problem
Tucker's lemma
Théorème de Borsuk-Ulam
$n$ 次元空間に置かれた $n$ 個の可測な対象は、1 枚の超平面で同時に二等分できます。形の仮定も、離れているか重なっているかの仮定もありません。$2$ 次元なら、角度を回すと片寄りの符号が端で入れ替わるので、途中で $0$ を通る。一般次元ではボルスク・ウラムに帰着します。切れるのは $n$ 個までで、超平面の自由度と条件の数がちょうど釣り合っている。存在は保証されても、切る場所を探すのは PPA 完全で難しい。