NexTutor
Wirtualne laboratorium/Matematyka/Geometria/Twierdzenie o kanapce z szynką
Wielkie odkrycie 1938 — Banach, Steinhaus

Twierdzenie o kanapce z szynką

Poza podstawą programową — objętość i geometria przestrzenna (polski akcent, szkoła lwowska). Dowolne trzy bryły w przestrzeni można jednym płaskim cięciem podzielić jednocześnie na dwie równe co do objętości części — niezależnie od ułożenia. Hipotezę postawił Hugo Steinhaus, a udowodnił Stefan Banach (z twierdzenia Borsuka-Ulama), ~1938 r.

Matematyka · Geometria · Twierdzenie o kanapce z szynką (1938)
Ułóż chleb, ser i szynkę — jakkolwiek chcesz:
Czy jednym cięciem można równocześnie przepołowić chleb, ser i szynkę dowolnie ułożone?
chleb
½ · ½
ser
½ · ½
szynka
½ · ½
kąt cięcia
87°

Co się właśnie stało?

Zmieniałeś ułożenie trzech obiektów — od równej kanapki po zupełnie rozrzucone składniki. Za każdym razem jedna prosta (w przestrzeni: jedna płaszczyzna) dzieliła jednocześnie chleb, ser i szynkę na dwie równe co do „objętości" połowy. Nie trzeba było niczego równo układać — takie cięcie istnieje zawsze.

Twierdzenie o kanapce z szynką:

To jeden z najbardziej zaskakujących i zabawnie nazwanych wyników topologii — z ważnym polskim wkładem. Mówi ono, że dowolne trzy bryły umieszczone w przestrzeni trójwymiarowej — obrazowo: kromkę chleba, plaster sera i plaster szynki, ułożone jakkolwiek — można jednym prostym cięciem (jedną płaszczyzną) podzielić tak, by każdy z trzech składników został przepołowiony na dwie równe co do objętości części.

Ogólnie (Stone–Tukey, 1942):

nn obiektów w przestrzeni nn-wymiarowej da się przepołowić jedną hiperpłaszczyzną HH (dzielącą przestrzeń na dwie części H+H^+ i HH^-):

A1,,AnRn  H:vol ⁣(AkH+)=12vol(Ak),k=1,,n\forall\,A_1,\dots,A_n\subset\mathbb{R}^n\ \ \exists\,H:\quad \operatorname{vol}\!\big(A_k\cap H^{+}\big)=\tfrac{1}{2}\operatorname{vol}(A_k),\quad k=1,\dots,n

Dla n=3n=3 (chleb, ser, szynka) hiperpłaszczyzna to zwykła płaszczyzna, a „objętość" to objętość każdej z trzech brył.

Skąd to wiadomo? (i dlaczego działa w modelu)

Hipotezę postawił Hugo Steinhaus (współtwórca lwowskiej szkoły matematycznej), a udowodnił ją Stefan Banach, korzystając z twierdzenia Borsuka–Ulama (autorstwa polskiego matematyka Karola Borsuka). W naszym poglądowym modelu 2D każdy obiekt jest figurą środkowosymetryczną (elipsą), a prosta połowi taką figurę dokładnie wtedy, gdy przechodzi przez jej środek — dlatego jedna prosta biegnąca przez środki wszystkich trzech obiektów połowi je jednocześnie.

Dlaczego to piękne:

To wzorcowy przykład, jak abstrakcyjna topologia (twierdzenia o punktach stałych i o antypodach) daje bardzo konkretny, „kuchenny" wniosek — i jak polscy matematycy okresu międzywojennego współtworzyli światową matematykę.

Zapamiętaj: dowolne trzy bryły w przestrzeni można jedną płaszczyzną przepołowić naraz — zawsze istnieje takie cięcie. To twierdzenie o kanapce z szynką (poza podstawą programową — objętość i geometria przestrzenna; polski akcent: szkoła lwowska).

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Czy jednym cięciem można przepołowić trzy dowolnie ułożone bryły?

Tak — twierdzenie o kanapce z szynką gwarantuje istnienie płaszczyzny połowiącej wszystkie trzy naraz.

Skąd nazwa „kanapka z szynką"?

Z obrazu: chleb, ser i szynkę (trzy bryły) można jednym cięciem noża przepołowić jednocześnie.

Jaki jest polski wkład w to twierdzenie?

Hipotezę postawił Hugo Steinhaus, a udowodnił Stefan Banach (szkoła lwowska), korzystając z twierdzenia Borsuka-Ulama.