Lemma von Sperner

Das Lemma von Sperner, oft Spernersches Lemma genannt, englisch Sperner’s Lemma^[1], ist ein mathematisches Resultat aus dem Teilgebiet der Topologie. Es geht zurück auf den deutschen Mathematiker Emanuel Sperner, der es im Jahr 1928 veröffentlicht hat.^[2] Die Bedeutung des Lemmas liegt darin, dass mit seiner Hilfe – und damit lediglich mittels elementarer kombinatorischer Methoden – eine ganze Anzahl wichtiger mathematischer Lehrsätze zu beweisen sind, wie der brouwersche Fixpunktsatz^[3][4] und verwandte Resultate^[5][6] oder auch der Satz von der Invarianz der offenen Menge^[2] und nicht zuletzt der Pflastersatz von Lebesgue.^[7][8][9]

Im Folgenden wird durchgängig ein euklidischer Raum ${\displaystyle V}$ der endlichen Dimension ${\displaystyle m\in \mathbb {N} }$ über dem Körper ${\displaystyle \mathbb {R} }$ der reellen Zahlen zugrunde gelegt.

Bildet man in ${\displaystyle V}$ zu gegebenen ${\displaystyle n+1}$ affin unabhängigen Punkten ${\displaystyle x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}}$ (${\displaystyle n\in \mathbb {N} ,n\leq m}$) die konvexe Hülle dieser Punkte, so erhält man das n-Simplex ${\displaystyle \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})\subset V}$. Die ${\displaystyle x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}}$ heißen die Eckpunkte oder Ecken des zugehörigen n-Simplexes und ${\displaystyle n}$ seine Dimension.^[10][11][12] Im Folgenden wird für die Menge ${\displaystyle \{x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}\}}$ der Eckpunkte des n-Simplexes ${\displaystyle \Delta }$ auch ${\displaystyle E(\Delta )}$ geschrieben.

Bildet man für eine Teilmenge ${\displaystyle \{x_{i_{0}},\,\ldots ,\,x_{i_{r}}\}\subseteq \{x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}\}}$ mit ${\displaystyle 0\leq i_{1}<\dots <i_{r}\leq n}$ in gleicher Weise die konvexe Hülle, so erhält man ein Untersimplex ${\displaystyle {\Delta }^{*}=\Delta ({x_{i_{0}},\,\ldots ,\,x_{i_{r}}})\subseteq \Delta }$, welches man als (r-dimensionale) Seite von ${\displaystyle \Delta }$ bezeichnet.^[13]

Ein (endlicher) simplizialer Komplex^[14][15] in dem euklidischen Raum ${\displaystyle V}$ ist eine Familie ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ von Simplexen von ${\displaystyle {\mathcal {V}}}$ mit folgenden Eigenschaften:

1. Mit jedem Simplex ${\displaystyle {{\Delta }^{*}}\in {\mathcal {K}}}$ gehört auch jede Seite von ${\displaystyle {{\Delta }^{*}}}$ zu ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$.
2. Der Schnitt ${\displaystyle {{\Delta }^{*}}_{1}\cap {{\Delta }^{*}}_{2}}$ zweier Simplexe von ${\displaystyle {{\Delta }^{*}}_{1},\,{{\Delta }^{*}}_{2}\in {\mathcal {K}}}$ ist leer oder gemeinsame Seite beider Simplexe ${\displaystyle {{\Delta }^{*}}_{1},\,{{\Delta }^{*}}_{2}}$.
3. ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ ist eine endliche Menge.

Die Familie der Seiten eines n-Simplexes ${\displaystyle \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})\subset V}$ bildet stets einen endlichen simplizialen Komplex.

Bildet man die Vereinigungsmenge ${\displaystyle E=E({\mathcal {K}})=\bigcup _{{{\Delta }^{*}}\in {\mathcal {K}}}E({\Delta }^{*})}$, so erhält man die Eckenmenge von ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$, nämlich die Menge aller Eckpunkte der in ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ vorkommenden Simplexe.

Die Vereinigungsmenge ${\displaystyle \bigcup {\mathcal {K}}}$, gebildet über alle Simplexe eines simplizialen Komplexes ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$, nennt man das zu ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ gehörige Polyeder und ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ seine Triangulation. Man sagt dann, das Polyeder werde durch ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ trianguliert. Da hier vorausgesetzt ist, dass ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ eine endliche Familie ist, handelt es sich bei einem solchen Polyeder stets um eine kompakte Teilmenge des zugrundeliegenden euklidischen Raumes ${\displaystyle V}$.^[16]

Ein Punkt ${\displaystyle x\in \Delta }$ heißt ein Seitpunkt von ${\displaystyle \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})}$, wenn ${\displaystyle x}$ in einer echten Seite ${\displaystyle \Delta ({x_{i_{0}},\,\ldots ,\,x_{i_{r}}})\subset \Delta }$ (mit ${\displaystyle \{x_{i_{0}},\,\ldots ,\,x_{i_{r}}\}\subset \{x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}\}}$) enthalten ist. Andernfalls wird er als mittlerer Punkt von ${\displaystyle \Delta }$ bezeichnet.

${\displaystyle x\in \Delta }$ ist also ein mittlerer Punkt von ${\displaystyle \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})}$ dann und nur dann, wenn seine bzgl. der Eckpunkte ${\displaystyle x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}}$ gebildeten baryzentrischen Koordinaten alle größer ${\displaystyle 0}$ sind. Dementsprechend ist ${\displaystyle x\in \Delta }$ ist genau dann ein Seitpunkt von ${\displaystyle \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})}$, wenn eine seiner bzgl. ${\displaystyle x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}}$ gebildeten baryzentrischen Koordinaten gleich ${\displaystyle 0}$ ist.^[17]

Für einen Punkt ${\displaystyle x\in \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})}$ existiert stets exakt eine Seite ${\displaystyle {\Delta }_{x}\subseteq \Delta }$ , von welcher ${\displaystyle x}$ ein mittlerer Punkt ist. Es ist ${\displaystyle {\Delta }_{x}}$ die Seite kleinster Dimension unter all den Seiten ${\displaystyle \Delta ({x_{i_{0}},\,\ldots ,\,x_{i_{r}}})\subseteq \Delta }$ , in denen ${\displaystyle x}$ enthalten ist. Dieses ${\displaystyle {\Delta }_{x}}$ nennt man kurz das Trägersimplex von ${\displaystyle x\,}$ (in ${\displaystyle \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})}$).^[18]

Die zu den Ecken dieser Seite ${\displaystyle {\Delta }_{x}}$ gehörige Indexmenge ${\displaystyle \{i_{0},\,\ldots ,\,i_{r}\}}$ wird im Folgenden mit ${\displaystyle I_{x}}$ bezeichnet.

Ist ein n-Simplex ${\displaystyle \Delta =\Delta ({x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}})\subset V}$ fest vorgegeben und dazu ein (endlicher) simplizialer Komplex ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$ , welcher dieses Simplex trianguliert, und ist weiter ${\displaystyle f\colon \,E\to \{0,\,\ldots ,n\}}$ eine Abbildung, welche die Bedingung ${\displaystyle f(e)\in I_{e}}$ für jede ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$-Ecke ${\displaystyle e\in E=E({\mathcal {K}})}$ erfüllt (Sperner-Bedingung), so bezeichnet man ein solches ${\displaystyle f\colon \,E\to \{0,\,\ldots ,n\}}$ als Eckpunktbezifferung^[18] oder Spernersche Eckpunktbezifferung (engl. Sperner labelling^[19]).

Für jedes Simplex ${\displaystyle {{\Delta }^{*}}\in {\mathcal {K}}}$ setzt man dann ${\displaystyle f[{{\Delta }^{*}}]=\{f(e):e\in E({{\Delta }^{*}})\}}$.

Es ist offenbar stets ${\displaystyle f[{{\Delta }^{*}}]\subseteq \{0,\,\ldots ,n\}}$. Gilt sogar ${\displaystyle f[{{\Delta }^{*}}]=\{0,\,\ldots ,n\}}$, so bezeichnet man ein solches Simplex ${\displaystyle {{\Delta }^{*}}\in {\mathcal {K}}}$ als komplett.^[20]

Das Spernersche Lemma kann man formulieren wie folgt:^[20]

Für jede Spernersche Eckpunktbezifferung ist die Anzahl der kompletten Simplexe ungerade. Insbesondere hat jede Spernersche Eckpunktbezifferung stets mindestens ein komplettes Simplex.

In der Abbildung rechts bildet das äußerste Dreieck den 2-Simplex ${\displaystyle \Delta =\Delta (x_{0},x_{1},x_{2})}$ und die kleineren Dreiecke zusammen mit ihren Seiten und Ecken die Triangulation ${\displaystyle {\mathcal {K}}}$. Die Spernersche Eckpunktbezifferung lässt sich als Färbung der Menge ${\displaystyle E({\mathcal {K}})}$ veranschaulichen, die Werte ${\displaystyle 0}$, ${\displaystyle 1}$ und ${\displaystyle 2}$ entsprechen dabei rot, grün und blau. Die Ecken von ${\displaystyle \Delta }$ müssen stets unterschiedlich gefärbt sein, also unterschiedliche Werte ${\displaystyle f(e)}$ erhalten, da sie nur für ihre jeweiligen 0-Untersimplizies mittlere Punkte sind. Der Trägersimplex der obersten roten Ecke ist beispielsweise ${\displaystyle \Delta _{x_{0}}=\Delta (x_{0})}$ und ihre Indexmenge ist entsprechend ${\displaystyle I_{x_{0}}=\{0\}}$. Die Ecken der Triangulation, die auf einer der Seiten des äußerem Dreiecks liegen, dürfen jeweils aus den beiden Farben der Endpunkte dieser Seite wählen. Die grüne Ecke im unteren rechten Bereich des Dreiecks ist die einzige, deren Trägersimplex ganz ${\displaystyle \Delta }$ ist, sie kann also eine beliebige der drei Farben annehmen. Das Spernersche Lemma besagt nun, dass es in jeder solchen Färbung eine ungerade Anzahl von kleineren Dreiecken gibt, deren Eckpunkte alle unterschiedlich gefärbt sind. Im Beispiel sind das die drei grau hinterlegten, für diese Simplizes ${\displaystyle \Delta ^{*}}$ gilt ${\displaystyle f[\Delta ^{*}]=\{0,1,2\}}$.

Zu den bedeutenden topologischen Sätzen, welche mit dem Spernerschen Lemma zu gewinnen sind, zählt als einer der wichtigsten der Pflastersatz von Lebesgue, der eine wesentliche Rolle in der Dimensionstheorie spielt:^[21]

Es seien ${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$ sowie ${\displaystyle \Delta \subset \mathbb {R} ^{n}}$ ein gegebenes n-Simplex mit den Eckpunkten ${\displaystyle x_{0},\,\ldots ,\,x_{n}}$. Für ${\displaystyle j=0,1,\ldots ,n}$ sei ${\displaystyle {\Delta }_{j}}$ die dem Eckpunkt ${\displaystyle x_{j}}$ in ${\displaystyle \Delta }$ gegenüberliegende ${\displaystyle (n-1)}$-dimensionale Seite, also diejenige Seite, deren Eckenmenge aus allen ${\displaystyle x_{k}\neq x_{j}}$ besteht.

Weiter sei eine endliche Menge ${\displaystyle {\mathcal {A}}}$ von abgeschlossenen Teilmengen des ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ gegeben, welche ${\displaystyle \Delta }$ überdecken.

Dann gilt:

Gibt es zu jedem ${\displaystyle A\in {\mathcal {A}}}$ mindestens ein ${\displaystyle {\Delta }_{j(A)}}$ derart, dass die Schnittmenge ${\displaystyle A\cap {\Delta }_{j(A)}}$ die leere Menge ist, so gibt es in ${\displaystyle {\mathcal {A}}}$ stets ${\displaystyle n+1}$ Mengen, die eine nichtleere Schnittmenge haben.

Der Lebesgue’sche Pflastersatz zieht eine direkte Folgerung nach sich. Sie besagt:^[21]

Für ${\displaystyle n\in \mathbb {N} }$ und für jedes beliebige n-Simplex ${\displaystyle \Delta \subset \mathbb {R} ^{n}}$ gibt es stets ein ${\displaystyle \epsilon >0}$ mit folgender Eigenschaft:

Ist ${\displaystyle {\mathcal {A}}}$ eine endliche Menge abgeschlossener Teilmengen des ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$, die ${\displaystyle \Delta }$ überdecken, und hat jedes ${\displaystyle A\in {\mathcal {A}}}$ einen Durchmesser ${\displaystyle \operatorname {diam} (A)<\epsilon }$, so gibt es in ${\displaystyle {\mathcal {A}}}$ stets ${\displaystyle n+1}$ Mengen mit nichtleerer Schnittmenge.

Artikel

• Bronisław Knaster, Casimir Kuratowski, Stefan Mazurkiewicz: Ein Beweis des Fixpunktsatzes für n-dimensionale Simplexe. In: Fundamenta Mathematicae. Band 14, 1929, S. 132–137, doi:10.4064/fm-14-1-132-137. 
• Emanuel Sperner: Neuer Beweis für die Invarianz der Dimensionszahl und des Gebietes. In: Abhandlungen aus dem Mathematischen Seminar der Hamburgischen Universität. Band 6, 1928, S. 265–272, doi:10.1007/BF02940617. 
• Francis Edward Su: Rental Harmony: Sperner’s Lemma in Fair Division. In: The American Mathematical Monthly. Band 106, Nr. 10, 1999, S. 930–942, doi:10.2307/2589747. 

Monographien

• Wolfgang Franz: Topologie I: Allgemeine Topologie (= Sammlung Göschen. Band 1181). 3. Auflage. Walter de Gruyter & Co., Berlin 1968, S. 132–135 (MR0264578). 
• Egbert Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1978, ISBN 3-534-07016-X. 
• Michael Henle: A Combinatorial Introduction to Topology. Überarbeitete Auflage. Dover Publications, New York 1994, ISBN 0-486-67966-7 (Erstausgabe: 1979). 
• Erich Ossa: Topologie. Eine anschauliche Einführung in die geometrischen und algebraischen Grundlagen. 2., überarbeitete Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0874-5. 
• Willi Rinow: Lehrbuch der Topologie (= Hochschulbücher für Mathematik. Band 79). Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1975. 
• Michael J. Todd: The computation of fixed points and applications (= Lecture notes in economics and mathematical systems. Band 124). Springer, Berlin u. a. 1976, ISBN 3-540-07685-9. 

• Video: Das Spernersche Lemma. Institut für den Wissenschaftlichen Film (IWF) 1983, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi:10.3203/IWF/D-1504.

1. ↑ Henle: A Combinatorial Introduction to Topology. 1994, S. 36 ff.
2. ↑ ^{a b} Sperner: Neuer Beweis für die Invarianz der Dimensionszahl und des Gebietes. In: Abhandlungen aus dem Mathematischen Seminar der Hamburgischen Universität. Band 6, 1928, S. 265 ff. 
3. ↑ Knaster, Kuratowski, Mazurkiewicz: Ein Beweis des Fixpunktsatzes für n-dimensionale Simplexe. In: Fundamenta Mathematicae. Band 14, 1929, S. 132 ff. 
4. ↑ Dargestellt in Aigner, Ziegler, Das Buch der Beweise, Kapitel 25.
5. ↑ Todd: The computation of fixed points and applications. 1976, S. 1 ff.
6. ↑ Su: Rental Harmony: Sperner’s Lemma in Fair Division. In: The American Mathematical Monthly. Band 106, 1999, S. 930 ff. 
7. ↑ Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 56 ff.
8. ↑ Rinow: Lehrbuch der Topologie. 1975, S. 341 ff.
9. ↑ Franz: Topologie I. 1968, S. 132 ff.
10. ↑ Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 26 ff.
11. ↑ Ossa: Topologie. 2009, S. 7 ff.
12. ↑ Rinow: Lehrbuch der Topologie. 1975, S. 298 ff.
13. ↑ Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 29.
14. ↑ Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 33 ff.
15. ↑ In den meisten Quellen, vgl. etwa Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 34, wird die Endlichkeit des Komplexes grundsätzlich vorausgesetzt.
16. ↑ Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 37.
17. ↑ Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 30.
18. ↑ ^{a b} Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 37.
19. ↑ Henle: A Combinatorial Introduction to Topology. 1994, S. 38.
20. ↑ ^{a b} Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 57.
21. ↑ ^{a b} Harzheim: Einführung in die kombinatorische Topologie. 1978, S. 64.