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Théorème du point fixe de Brouwer

1911
  • L. E. J. Brouwer
Mathématicien démontrant le théorème du point fixe de Brouwer avec une carte froissée dans un bureau.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Ce théorème stipule que pour toute fonction continue [latex]f[/latex] cartographiant un ensemble convexe compact à lui-même, il existe un point [latex]x_0[/latex] tel que [latex]f(x_0) = x_0[/latex]. Ce point est appelé point fixe. De manière informelle, si vous prenez une carte d'un pays, que vous la chiffonnez et que vous la placez à l'intérieur des frontières du pays, il y aura toujours au moins un point sur la carte directement au-dessus de l'emplacement correspondant dans le monde réel.

Le théorème du point fixe de Brouwer est une pierre angulaire de la théorie du point fixe et a des implications profondes dans de nombreux domaines des mathématiques. Ce théorème s'applique à toute fonction continue f : D^n → D^n, où D^n est la boule unité fermée de dimension n. La démonstration est non constructive ; elle garantit l'existence d'un point fixe, mais ne fournit pas de méthode pour le trouver. La démonstration pour n = 1 découle directement du théorème des valeurs intermédiaires. Pour les dimensions supérieures, la démonstration est plus complexe et fait généralement appel à des outils de topologie algébrique, tels que l'homologie ou la notion de degré d'une application. Une stratégie de démonstration courante utilise un argument de rétraction. Elle suppose, par l'absurde, qu'une fonction continue f : D^n → D^n n'admet pas de point fixe. On peut alors construire une fonction continue (une rétraction) r : D^n → S^{n-1} du disque vers sa sphère frontière, ce qui s'avère impossible. La force de ce théorème réside dans sa généralité ; il ne requiert que la continuité de la fonction ainsi que la compacité et la convexité du domaine, ce qui le rend applicable à un large éventail de problèmes où il est nécessaire de prouver l'existence d'une solution ou d'un état d'équilibre.

UNESCO Nomenclature: 1209
- Topologie

Taper

Système abstrait

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Théorème des valeurs intermédiaires de Bolzano et Cauchy
  • Travaux de Poincaré et Bohl sur les théorèmes d'existence
  • Développement de la topologie algébrique par Henri Poincaré
  • Les travaux de Jacques Hadamard sur des problèmes connexes

Applications

  • la théorie des jeux (prouver l'existence d'équilibres de Nash)
  • économie (théorie de l'équilibre général)
  • l'infographie (calcul des transformations d'objets)
  • l'analyse numérique (recherche des racines des équations)
  • théorie du contrôle

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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Liens en rapport : théorème du point fixe, Brouwer, fonction continue, ensemble compact, ensemble convexe, équilibre de Nash, théorie des jeux, topologie algébrique.

Contexte historique

Théorème du point fixe de Brouwer

1895
1899
1900
1911
1922
1925
1928
1884
1896
1900
1903
1914
1924
1925
1930

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

Inventions, innovations et principes techniques connexes

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