形が不均一なハムとレタスとパン(1枚のみ)があります。
この3つのものを重ねて、包丁で一斬りすると、
その部分を境に全部ハムもレタスもパンもまっ二つに割れ、
その面積はハム同士、レタス同士、パン同士で
全て同じになりました。こうなる線を求めて、この定理を証明しなさい。
という問題があるのですが、どうしても分かりません。
そこで教えて頂きたく投稿しました。よろしくお願いします。
形が不均一なハムとレタスとパン(1枚のみ)があります。
この3つのものを重ねて、包丁で一斬りすると、
その部分を境に全部ハムもレタスもパンもまっ二つに割れ、
その面積はハム同士、レタス同士、パン同士で
全て同じになりました。こうなる線を求めて、この定理を証明しなさい。
という問題があるのですが、どうしても分かりません。
そこで教えて頂きたく投稿しました。よろしくお願いします。
私も分かりませんが、ヒントらしきものとして、
重心があります。

ハムの重心を通るように切ると2つに分かれた部分の面積は等しい。
レタスの重心も同様なので、
2つの重心を通るように切れば、問題の趣旨に合う。
しかし、問題はこれにパンが加わり、3つになると
重心が三角形を描くので、包丁で一斬りとはいかない。
※未解決問題に移しますので、どなたかアドバイス下さい。
Toshi Tokudaさんからアドバイスが届きました。
※未解決問題に移したところ、星野さんからも
アドバイスをいただきました。感謝!!
この問題なんですが、僕は学校で「中間値の定理」を使ってやると
聞いたのですが、やり方は忘れてしまいました。
これでは、ヒントにならないですか?
有名な ham sandwich theorem ですが
証明は難しいですね~。
小松あつ郎, 中岡稔, 菅原正博:
位相幾何学 I, 岩波, p. 494 例題 4.8,
中岡稔: 不動点定理とその周辺, 岩波, p. 10 応用例 2.3
ですけれど。
内容は
三次元空間 (\(R^{3}\)) の中に 3 個の有界な可測集合 \(A_{1}\), \(A_{2}\), \(A_{3}\)
(ハムとレタスとサンドイッチ) が与えられたとき, \(A_{1}\), \(A_{2}\), \(A_{3}\) の各々を
等測度に分割するような平面 P が存在する。
証明:
\(R^{3}\) 上にはない \(R^{4}\) の点 \(y_{0}\) を定める。
各 x ∈ \(S^{3}\) (3 次元球面原点中心半径は 1 で考えて良い) に対し, \(Q_{x}\) は
\(y_{0}\) を通り, 直線 Ox (原点と x とを結んだ線) に直交する \(R^{4}\) の超平面
を表すものとする。
¬\(y_{0}\)∈\(R^{3}\) だから, \(Q_{x}\) ≠ \(R^{3}\).
そこで \(Q_{x}\) に関して x + \(y_{0}\) と同じ側にある \(A_{i}\) の部分の測度を \(u_{i}\)(x) で表す。
この時
\(u_{i}\): \(S^{3}\)\(\vec{R}\), i = 1, 2, 3
は連続であるから, 「Borsuk-Ulam の対心点定理」 により,
\(u_{i}\)(a) = \(u_{i}\)(-a)
となる a ∈ \(S^{3}\) が存在する。
各 x ∈ \(S^{3}\) に対し, \(Q_{x}\) = Q_(-x) で, x + \(y_{0}\) と x - \(y_{0}\) は \(Q_{x}\) の反対側
にあるから
\(u_{i}\)(x) + \(u_{i}\)(-x) = m(\(A_{i}\)) (\(A_{i}\) の測度)
が成立する。従って特に
\(u_{i}\)(a) = \(u_{i}\)(-a)= m(\(A_{i}\))/2, i = 1, 2, 3.
\(Q_{a}\) は \(R^{3}\) と平行ではないので, \(Q_{a}\) と \(R^{3}\) の交わりを P とすると
この P が求めるものである□
勿論一般には \(R^{n}\) と \(A_{1}\), ... , \(A_{n}\) で証明出来る。
さて途中で言及した「Borsuk-Ulam の対心点定理」 はこういう内容。
任意の連続写像 f: \(S^{n}\)\(\vec{R}\\()^{n}\) に関し x ∈ \(S^{n}\) が存在して f(-x) = f(x).
今の場合必要なのは n = 3 だからそれに関して説明すると
もしもそういう x ∈ \(S^{3}\) が存在しないとすればそれが矛盾であることを示す。
h: \(D^{3}\)\(\vec{S}\\()^{3}\): (x, y, z)→(x, y, z, \(\sqrt{\quad}\)(1-\(x^{2}\)-\(y^{2}\)-\(z^{2}\)))
\(D^{3}\) = {(x, y, z): \(x^{2}\) + \(y^{2}\) + \(z^{2}\) ≦1}
を用いて
G: \(D^{3}\)\(\vec{S}\\()^{2}\): (f(h(x))-f(-h(x)))/|f(h(x))-f(-h(x))|
g=G|\(S^{2}\) (\(S^{2}\) への制限) と置くと, g は定値写像に homotope だから
deg g = 0. ところが g(-x) = -g(x) だから deg g は奇数でなければならない。
これは矛盾である。
というわけで証明は易しくない。
レタス無しのハムサンドイッチならば,
ご指摘の通り中間値の定理だけで証明出来る。
というのは例えば xy 平面にこれをおいて, z 軸に平行な平面で
パンを二等分する平面を, x 軸との一般角 θ で parameter 表示しておき,
この平面のどちらか一方の決めた側にあるハムの体積を f(θ) で表す。
0 ≦ θ ≦ 2π と考えて良く, f(0) = f(2π) がもとの体積の \(\frac{1}{2}\) ならば
それで終り。
もしそうでなければ f(0) 又は f(2π) のどちらか一方が
もとの体積の \(\frac{1}{2}\) より大きく,
他方がもとの体積の \(\frac{1}{2}\) より小さい (f(θ)+f(2π-θ) が
ハム全体の体積で, f(θ)は正値函数だから)。
この函数に関し中間値の定理を用いればよいわけである。