一、喝醉的小鸟
定理：喝醉的酒鬼总能找到回家的路，喝醉的小鸟则可能永远也回不了家。
假设有一条水平直线，从某个位置出发，每次有 50% 的概率向左走1米，有50%的概率向右走1米。按照这种方式无限地随机游走下去，最终能回到出发点的概率是多少？答案是100% 。在一维随机游走过程中，只要时间足够长，我们最终总能回到出发点。
现在考虑一个喝醉的酒鬼，他在街道上随机游走。假设整个城市的街道呈网格状分布，酒鬼每走到一个十字路口，都会概率均等地选择一条路（包括自己来时的那条路）继续走下去。那么他最终能够回到出发点的概率是多少呢？答案也还是 100% 。刚开始，这个醉鬼可能会越走越远，但最后他总能找到回家路。
不过，醉酒的小鸟就没有这么幸运了。假如一只小鸟飞行时，每次都从上、下、左、右、前、后中概率均等地选择一个方向，那么它很有可能永远也回不到 出发点了。事实上，在三维网格中随机游走，最终能回到出发点的概率只有大约 34% 。
这个定理是著名数学家波利亚（George Pólya）在 1921 年证明的。
随着维度的增加，回到出发点的概率将变得越来越低。在四维网格中随机游走，最终能回到出发点的概率是 19.3% ，而在八维空间中，这个概率只有 7.3% 。
二、“你在这里”
定理：把一张当地的地图平铺在地上，则总能在地图上找到一点，这个点下面的地上的点正好就是它在地图上所表示的位置。
也就是说，如果在商场的地板上画了一张整个商场的地图，那么你总能在地图上精确地作一个“你在这里”的标记。
1912 年，荷兰数学家布劳威尔（Luitzen Brouwer）证明了这么一个定理：
假设 D 是某个圆盘中的点集，f 是一个从 D 到它自身的连续函数，则一定有一个点 x ，使得 f(x) = x 。换句话说，让一个圆盘里的所有点做连续的运动，则总有一个点可以正好回到运动之前的位置。这个定理叫做布劳威尔不动点定理（Brouwer fixed point theorem）。
除了上面的“地图定理”，布劳威尔不动点定理还有很多其他奇妙的推论。
如果取两张大小相同的纸，把其中一张纸揉成一团之后放在另一张纸上，根据布劳威尔不动点定理，纸团上一定 存在一点，它正好位于下面那张纸的同一个点的正上方。
这个定理也可以扩展到三维空间中去：当你搅拌完咖啡后，一定能在咖啡中找到一个点，它在搅拌前后的位置相同（虽然这个点在搅拌过程中可 能到过别的地方）。
三、不能抚平的毛球
定理：你永远不能理顺椰子上的毛。
想象一个表面长满毛的球体，你能把所有的毛全部梳平，不留下任何像鸡冠一样的一撮毛或者像头发一样的旋吗？拓扑学告诉你，这是办不到的。这叫做毛球定理（hairy ball theorem），它也是由布劳威尔首先证明的。用数学语言来说就是，在一个球体表面，不可能存在连续的单位向量场。这个定理可以推广到更高维的空间：对于任意一个偶数维的球面，连续的单位向量场都是不存在的。
毛球定理在气象学上有一个有趣的应用：由于地球表面的风速和风向都是连续的，因此由毛球定理，地球上总会有一个风速为 0 的地方，也就是说气旋和风眼是不可避免的。
四、平分三明治
定理：任意给定一个火腿三明治，总有一刀能把它切开，使得火腿、奶酪和面包片恰好都被分成两等份。
而且更有趣的是，这个定理的名字真的就叫做“火腿三明治定理”（ham sandwich theorem）。它是由数学家亚瑟·斯通（Arthur Stone）和约翰·图基（John Tukey）在 1942 年证明的，在测度论中有着非常重要的意义。
火腿三明治定理可以扩展到 n 维的情况：
如果在 n 维空间中有 n 个物体，那么总存在一个 n - 1 维的超平面，它能把每个物体都分成“体积”相等的两份。这些物体可以是任何形状，还可以是不连通的（比如面包片），甚至可以是一些奇形怪状的点集，只要满足点集可测就行了。
五、分球悖论
巴拿赫-塔斯基悖论，又称分球悖论，是一条经过严格证明的数学定理。
一个三维实心球，必定存在一种办法分成有限部分，然后仅仅通过旋转和平移，就可以组成两个和原来完全相同的球（半径相同，密度相同……所有性质都相同）。这是一条非常反常识的数学定理，基于“选择公理”严格地推导出来，而且不容置疑。
这个定理还有更强的版本描述：一块石头经过分解，可以随意组合成任何东西，可以拼成一个星球，也可以拼成一个人，甚至藏进一个细胞之中！
要理解其中的原理，需要对“无穷”这个概念有深刻的理解：
这个比喻，是对“无穷”的一个通俗解释，分球悖论也可以通过这个比喻来解释。
我们来类比，“球分成无限份”相当于“旅馆的无限个房间“，把这无限个房间分成偶数和奇数两类，我们再单独把这两类房间分开，分别称为“希尔伯特旅馆一”和“希尔伯特旅馆二”。
如果我们不看序号，或者把两个旅馆的房间重新编号，请问：这两个新的旅馆，和原来的“希尔伯特旅馆”有区别吗?
答案是：没有区别，两个新旅馆，和原来的旅馆一摸一样，房间数一样，每个房间的大小也一样。
分球悖论指出：实心球也存在这样的分解办法，然后进行分类和重组，就能变“一”为“二”；两者本质上是一样的。
有人可能会觉得，新的实心球，质量肯定变为原来的一半！
其实不是的，因为在无穷面前，分球悖论并不满足质量守恒，比如我们假设每个单元的质量为Δm（无穷小），在我们分类的时候，Δm并没有被分解，我们分解的是“∞“。
在数学中，“可数∞”的一半，还是“可数∞”，于是，我们确实得到了两个，和原来一模一样的实心球。
或许，这正是数学和大自然，完美统一的表现。
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