數學世界三大難題

2020-11-23 中國教育在線

    在20世紀八十年代初,我們這代「知青」為了多學點知識,紛紛進「五大」學習,然後又進「成人自考」深造。我在「西南財經大學」攻讀經濟專業時,一次高等數學的面授課上,一位德高望重的導師給我們講到:人類文明的進步,與數學的發展成正比;人類數學的發展,中國亦有卓越的貢獻,古有祖衝之,今有華羅庚。21世紀,還有在坐的各位及全國各地的有志之青年。

    導師接著講到:古代數學史上有世界三大難題(倍立方體、方圓、三分角)。近代數學史又有第五公設、費馬大定理、任一大偶數表兩素之和。這些都已為前人攻破的攻破,將突破的將突破。現代發達國家的數學家們又在鑽研什麼呢?21世紀數學精英們又攻什麼呢?

    這位導師繼續講了現代數學上的三大難題:

    一是有20棵樹,每行四棵,古羅馬、古希臘在16世紀就完成了16行的排列,18世紀高斯猜想能排18行,19世紀美國勞埃德完成此猜想,20世紀末兩位電子計算機高手完成20行紀錄,跨入21世紀還會有新突破嗎?

    二是相鄰兩國不同著一色,任一地圖著色最少可用幾色完成著色?五色已證出,四色至今僅美國阿佩爾和哈肯,羅列了很多圖譜,通過電子計算機逐一理論完成,全面的邏輯的人工推理證明尚待有志者。

    三是任三人中可證必有兩人同性,任六人中必有三人互相認識或互相不認識(認識用紅線連,不認識用藍線連,即六質點中二色線連必出現單色三角形)。

    近年來國際奧林匹克數學競賽也圍繞此類熱點題型遴選後備攻堅力量。(如十七個科學家討論三課題,兩兩討論一個題,證至少三個科學家討論同一題;十八個點用兩色連必出現單色四邊形;兩色連六個點必出現兩個單色三角形,等等。)單色三角形研究中,尤以不出現單色三角形的極值圖譜的研究更是難點中之難點,熱門中之熱門。

    歸納為20棵樹植樹問題,四色繪地圖問題,單色三角形問題。通稱現代數學三大難題。

    當年的大學生一學期中能親聆導師教誨不到十次。數學三大難題是我們學子在課堂上最難忘最精彩的一課。光陰荏苒,時光如白駒過隙,彈指之間,今已是21世紀第一個年代了(以區別下一年代——一十年代),在此將我在大學學習中最精彩最難忘的一課奉獻,以饗不同層次、不同愛好的讀者。

    附:數學難題——與世紀同行的二十棵樹植樹問題

    數學史上有個20棵樹植樹問題,幾個世紀以來一直享譽全球,不斷給人類智慧的滋養,聰明的啟迪,伴隨人類文明幾個世紀,點綴裝飾於高檔工藝美術的百花叢中,美麗經久不衰、與日俱增且不斷進步,不斷發展,在人類文明的進程中更加芬芳嬌豔,更加靚麗多採。

    20棵樹植樹問題,源於植樹,升華在數學上的圖譜學中,圖譜構造的智、巧、美又廣泛應用於社會的方方面面。20棵樹植樹問題,簡單地說,就是:有20棵樹,若每行四棵,問怎樣種植(組排),才能使行數更多?

    20棵樹植樹問題,早在十六世紀,古希臘、古羅馬、古埃及等都先後完成了十六行的排列並將美麗的圖譜廣泛應用於高雅裝飾建築、華麗工藝美術(圖1)。進入十八世紀,德國數學家高斯猜想20棵樹植樹問題應能達到十八行,但一直未能見其發表繪製出的十八行圖譜。直到十九世紀,此猜想才被美國的娛樂數學大師山姆·勞埃德完成並繪製出了精美的十八行圖譜,而後還製成娛樂棋盛行於歐美,頗受人們喜愛(圖2)。

    進入20世紀,電子計算機的高速發展方興未艾,電子計算機的普及和應用在數學領域中也大顯身手,電子計算機繪製出的數學圖譜更是廣泛應用於工藝美術、建築裝飾和自然科學領域。數學上的20棵樹植樹問題也隨之有了更新的進展。在二十世紀七十年代,兩位數學愛好者巧妙地運用電子計算機超越數學大師山姆·勞埃德保持的十八行紀錄,成功地繪製出了精湛美麗的二十行圖譜,創造了20棵樹植樹問題新世紀的新紀錄並保持至今(圖3)。

    烏飛兔走,星移鬥換。 今天,人類已經從20世紀跨入了21世紀的第一個年代。20棵樹植樹問題又被數學家們從新提出:跨入21世紀,20棵樹,每行四棵,還能有更新的進展嗎?數學界正翹首以待。國外有人曾以二十萬美金設獎希望能有新的突破,隨著高科技的與日俱進和更新發展,期望將來人類的聰明智慧與精明才幹能突破現在20行的世界紀錄,讓20棵樹植樹問題能有更新更美的圖譜問世,扮靚新的世紀。

(感謝重慶捲菸廠退歇辦鄧開朋供稿)

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