一个数学问题是怎样诞生的?

学术   2024-10-02 20:00   上海  

想象一下,有一位画家在画一头棕色的小牛和一条棕色的大狗……他得给它们涂上颜色,好让你一眼就能分辨出它们,那么,你会希望他把它们都涂上棕色吗?

当然不会。如果他把其中一个动物涂成蓝色,那就很容易分辨。对于地图也是如此。这就是为什么人们对每个州使用不同的颜色……

——马克·吐温,《汤姆·索亚出国记》

四种颜色就够了:一个数学故事

作者:[英] 罗宾·威尔逊(Robin Wilson)

译者:何生


四色定理、哥德巴赫猜想、费马大定理并称“近代三大数学问题之一”,而其中四色问题貌似最为简单,却将数学研究引向了最大的不可知。动手画一画,谁都能理解这个问题在说什么。在百年岁月里,从天文学家、植物学家到高尔夫球手,众多数学爱好者以及当时几乎每一位伟大家,都曾思考过四色问题。

但谁也没料到,最终在计算机的帮助下,人们才得到一个完整的证明……这个问题有这么难吗?

这是一个关于色彩和地图的故事,一个关于证明和解决问题的故事,一个关于数学及其无穷魅力的故事。


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什么是四色问题?

四色问题的定义很简单,它与地图着色有关。在为地图着色时,我们很自然地希望对邻接的国家使用不同的颜色,以便将它们区分开。那么,对于整幅地图而言,我们需要几种颜色呢?乍一看,人们也许以为,地图越复杂,需要的颜色就会越多。然而出人意料的是,事实并非如此。对于任意地图而言,似乎至多只需要四种颜色就够了。于是,人们便引出了四色问题:

在邻接的国家使用不同颜色的前提下,所有地图都只需要至多四种颜色吗?

破解任何谜题,比如拼图游戏或纵横填字游戏,都能给人们带来纯粹的快乐,让人们放松。同样,四色问题也能让人成日地沉浸在喜悦(或沮丧)之中。从某种意义上来说,四色问题算是一种挑战,就像登山运动能给攀登者带来突破身体极限的愉悦一样,这个问题的定义如此简单,但又显然难以征服,它也为数学家带来了极为复杂的智力挑战。


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怎样才算“解决”四色问题


若想“证明”四色定理,就需要说明所有地图,无论是真实世界的地理地图,还是凭个人喜好精心绘制的假地图,都只需要四种颜色。

如果命题不成立,人们就得拿出一幅需要五种甚至更多颜色的地图来证明——只需要一幅就行。

然而,如果命题成立,那就必须对所有可能的地图都进行验证:即便已经验证了亿万幅地图也是不够的,因为或许就有那么一幅没有被验证过的地图,它在排列区域时的确需要五种甚至更多颜色。

在其他科学领域里,若想证明给定的猜想,只要在满足基本假设的前提下,绝大多数的实验结果符合预期就可以了;然而数学证明必须是完整、精确的,不允许有任何例外。为了证明四色定理,人们必须找到一种可以应对所有地图的通用证明方法,想发现这样的方法就需要大力发展理论体系。

四色问题最早是由弗朗西斯·格思里(Francis Guthrie)在约170 年前提出的。但是,人们花了 100 多年,为地图着色,发展必要的理论体系,才终于有了一个确定的答案:对所有地图来说,四种颜色就够了。在此期间,甚至还留下了艰深的哲学问题。

沃尔夫冈·哈肯(Wolfgang Haken)和肯尼思·阿佩尔(Kenneth Appel)在 1976 年提出了最终解决方法,该方法需要超过 1000 小时的计算机计算时间,这让人既感到欢欣鼓舞又觉得有一丝沮丧。值得一提的是,数学家至今仍然在争论:如果一个问题的解不能直接用人工检验,那么能否认为它已经被解决了?



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趣味测试

在下图中,已经有三个国家涂上了颜色。我们如何才能用红、蓝、绿、黄这四种颜色为整幅地图着色呢?





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