「四色問題」是什麼,這個問題為什麼能困擾數學家近半個世紀!

2020-11-25 宇宙的狂想曲

在我們的生活中地圖的重要性自然不用多說。可是,在繪製地圖時,相鄰的不同區域最好塗上不同的顏色以示區別。這樣的地圖看起來花花綠綠,只是不知你有沒有注意過,不論一張地圖上的行政區劃有多麼複雜,只要使用四種顏色著色,就可以保證將它們清清楚楚地區分開來(即任何相鄰的兩個地區顏色不會重複)。

這個問題到了數學家手裡,就變成著名的四色猜想(也稱四色問題)。數學家從節約的角度考慮,任何地圖,使得相鄰的地區塗上不同的顏色,至少得用多少種顏色呢?四色問題或者四色猜想的結論是:四色足夠!

百年拼搏史

說起來,這個問題可能有許多人發現過,但是第一個明確記錄在案的是剛從倫敦大學畢業不久的英國青年弗蘭西斯·葛斯瑞。1852年,他給一張英國地圖著色時發現,四種顏色足夠。他於是猜想對任何地圖也是如此。他把這個想法告訴正在倫敦大學學習的弟弟弗雷德裡克,他弟弟當然解決不了這個問題,於是向他的老師、著名數學家德·摩爾根請教,他也不能解決這個問題,便於1852年10月23日寫信給當時最偉大的科學家哈密頓,這成為四色問題第一個人歷史文獻。

不過,哈密頓對這類好像數學遊戲的問題不太感興趣,德·摩爾根於是繼續宣傳,直到另一位英國數學家凱萊於1878年在皇家學會上正式提出並在《皇家地理學會會報》上發表,這才引起人們對四色問題的廣泛重視。各國數學中心和數學雜誌都收到大量的錯誤證明,就如同以後的費馬大定理和哥德巴赫猜想一樣。

正如許多這類提法簡單而證明極為困難的大猜想一樣,大量的「證明」完全離譜,但也有的包含可貴的思想,當然這些思想只能來自有數學訓練的人。1879年,劍橋大學三一學院數學畢業生肯普先在《自然》雜誌,後在《美國數學雜誌》上發表四色猜想的證明。然而到1890年,一位大學數學講師希伍德指出肯普的「證明」中有一個漏洞,然後,他應用肯普的方法給出一個定理——五色定理,也就是五色足夠。

儘管四色定理沒有得到證明,肯普和希伍德對於後來圖論的發展都作出決定性的貢獻。一位圖論大師說道,1890年四色問題的研究主要沿著兩條道路發展:一條是定性的,主要是肯普發明的「鏈」方法,一條是定量的,主要是希伍德的方法,其思想基礎是尋找一個極小的反例。開始的作法是對於區域數目很少的地圖證明四色定理,由於區域數越多,可能的構形數目也越多,因此到1976年,雖然區域數接近100個,但這個問題還差得很遠。

計算機的參與

要想完整地證明四色定理,還是需要在概念上下工夫,特別是要尋找可約化的構形,也就是把區域數多的問題簡化為區域數少的情形。20世紀60年代、70年代當時估計這種構形有8000到10000個,這用計算機也辦不到。後來阿沛爾及哈肯用計算機搜索,發現只有不到2000個,從而完成了全部的證明。它用了1200小時的機時,相當於計算機連續算50個晝夜。這成為第一個用計算機證明的大定理。芝加哥的郵局信封上也印有「四色足夠」的字樣。它轟動了整個世界。但是數學界對此並不放心,於是阿沛爾和哈肯又進行了系統的檢查,的確發現並糾正了一些小的錯誤,並在1989年發表修正後的論文。

但是,這仍然不能平息人們的疑慮,另一組數學家企圖通過手寫來證明,但是,沒有成功。他們的貢獻在於使用的可約化構形數目大大減少了,減少到633種構型。整個證明簡單,而且容易覆核,雖然仍需計算機幫助,但再次肯定四色猜想的確成為定理。

幾點啟示

首先,雖然迄今為止,四色猜想仍是電腦證明數學難題絕無僅有的一例,但它昭示了「機器證明」時代的到來。它可能開闢了人與機器合作去解決問題的新途徑,成為數學上一系列新思維的起點。

其次,四色猜想的證明,是人工智慧機器與人類本身關係的一次驗證。通過人工智慧的運用,找到一些數學難題解決的途徑,不應該給人們帶來某些顧慮(似乎在人工智慧機器面前,人類顯得如此渺小和無能,由此甚至產生「機器取代人腦」的恐懼)。四色猜想是第一個用計算機輔助證明的大定理,但是主導整個證明的是數學家,計算機只是進行機械化的運算。

第三,四色猜想看來是一個帶有數學遊戲性質的孤立的問題,可是它卻創造出圖論許多新的分支。數學家的本事在於他們能夠把複雜的事物變成簡單的對象。從四色問題就可以做這樣的化簡:一個區域不妨看成一個點,任何兩個區域或者相鄰(也就是公用一條邊界),或是不相鄰。如果代表兩個區域地點相鄰,那麼我們就在兩點之間連上一條線,否則就不連線。這樣的結構就稱為圖。四色問題也就變成圖的頂點著色的問題,也就是兩頂點如果有線相連,則必須塗上不同顏色。

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  • 轟動全球的四色問題
    後者是著名數學家德·摩根教授的學生。他對弟弟提出的問題很感興趣,並敏銳地感到,這個地圖著色問題很可能是個數學問題,於是準備給出數學證明。儘管他絞盡腦汁,卻百思不得其解。當年10月23日,弗德雷克第一次用數學的形式作為「四色定理」請求德·摩根給以證明。
  • 【數學文化】「四色問題」是什麼?
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  • 闖海人攻下逾一個半世紀數學名題——四色問題
    ——四色問題,給出了該問題的首個人工證明。 四色問題,也叫四色猜想,是組合數學與圖論領域的一道著名難題,最早由英國人格斯裡於1852年提出,其大意為:在用不同顏色區分地圖上的不同國家時,僅用四種顏色就足夠了。 自該問題問世逾一個半世紀以來,不乏許多歷代一流數學家曾對其躍躍欲試,但都沒有成功。四色問題也因之與哥德巴赫猜想、費馬大定律一起名列「世界三大數學難題」。
  • 數學經典問題再現——四色猜想
    這個結論能不能從數學上加以嚴格證明呢?他和在大學讀書的弟弟格裡斯決心試一試。兄弟二人為證明這一問題而使用的稿紙已經堆了一大疊,可是研究工作沒有進展。1852 年 10 月 23 日,他的弟弟就這個問題的證明請教他的老師、著名數學家德·摩爾根,摩爾根也沒有能找到解決這個問題的途徑,於是寫信向自己的好友、著名數學家哈密爾頓爵士請教。哈密爾頓接到摩爾根的信後,對四色問題進行論證。但直到 1865 年哈密爾頓逝世為止,問題也沒有能夠解決。
  • 這個天才青年還解決了困擾數學界近80年的「簡單問題」
    而就在拿下柯爾獎前不久,這位來自牛津大學的青年數學家James Maynard,又和另一位數學家合作,攻下了一個困擾數學家們將近80年的難題——Duffin-Schaeffer猜想。這一用有理數逼近無理數的問題,對於丟番圖逼近領域的數學家來說,幾乎可以說是最基礎、最關鍵的問題之一。
  • 關於四色問題有一些想法
    四色問題現在應該叫做四色定理,藉助計算機,數學家到目前為止給出了前後共計三代的機器證明計算機的解法大致思路是利用窮舉法,驗證經過歸納的、有限種情況的可約構形「四色」都成立;然後再利用另外的程序進行驗證(不過我也只是看了幾篇論文和資料,如果上面這段有不對的話歡迎大神們指正)當然,因為是計算機解求解,所以還有很多優秀的數學家在不斷嘗試不藉助機器證明四色定理以上
  • 「填色問題」困擾數學界60年,這個生物學家的方法是終極答案嗎?
    圖丨這個圖形有826個相連的端點,必須使用至少5種顏色來填塗,才能保證相鄰端點的顏色不重複這個問題後來被稱作 Hadwiger-Nelson 問題,或「填色問題」,令無數數學家興致勃勃、爭相研究,包括當時活躍多產的匈牙利數學家保羅64厄多斯。
  • 四色猜想到底被證明出來了嗎?
    四色定理是世界近代三大數學難題之一,其證明難度足以媲美費馬大定理,迄今為止,尚無人能從理論上證明四色定理。1852年,一位大學生古德裡在對地圖進行著色工作中驚訝地發現,每副地圖只需用四種顏色就可以實現不混淆的目的。什麼意思呢?
  • 二年級:美妙數學之「四色問題」(0125二)
    四色問題又稱四色猜想、四色定理,是世界近代三大數學難題之一。四色問題的內容是「任何一張地圖只用四種顏色就能使具有共同邊界的國家著上不同的顏色。」也就是說在不引起混淆的情況下一張地圖只需四種顏色來標記就行。    1852年,畢業於倫敦大學的格斯裡來到一家科研單位搞地圖著色工作時,發現每幅地圖都可以只用四種顏色著色。
  • 過路人摘錄四色猜想
    四色猜想   1852年,英國年輕人格斯裡在搞地圖著色工作時,發現了一種有趣的現象:「看來,每幅地圖都可以用四種顏色著色,使得有共同邊界的國家分配到不同的顏色。這個結論能不能從數學上加以嚴格證明呢?」過路人 四色猜想  世界近代三大數學難題之一。
  • 這個「不科學」的問題,曾讓大數學家歐拉出醜
    但 18 世紀的學者尚未意識到這一點,在探討經典力學中一個非常簡單的問題時,他們也遭遇了一個奇點。為了解決這個經典力學框架下實際上無法解決的問題,包括大數學家歐拉在內的學者們想出了一些稀奇古怪的方法,得出了十分荒謬的結論。科學家花費了一個世紀才認識到這種研究是徒勞的:在奇點,理論遭遇了其極限。
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    但 18 世紀的學者尚未意識到這一點,在探討經典力學中一個非常簡單的問題時,他們也遭遇了一個奇點。為了解決這個經典力學框架下實際上無法解決的問題,包括大數學家歐拉在內的學者們想出了一些稀奇古怪的方法,得出了十分荒謬的結論。科學家花費了一個世紀才認識到這種研究是徒勞的:在奇點,理論遭遇了其極限。
  • 四色的地圖問題
    對地圖製作者來說,一個畫在平面或球面上的地圖,只要用四種不同的顏色便能把不同的國家區分開,這是一條未經證明的永恆法則.1976年,著名的四色地圖問題由美國伊利諾斯大學的K·阿佩爾和W·哈肯用計算機給予了證明,但他們的計算機證明依然面臨著挑戰.
  • 【數學天地】地圖上的數學難題——四色定理
    這個答案聽起來有些天方夜譚,就世界地圖而言,全世界有那麼多國家,怎麼可能用四種顏色就能區分呢?1852年,一位畢業於倫敦大學的製圖員格斯裡來到一家科研單位做地圖著色工作。他發現任何一塊地圖都可以只用四種顏色著色,於是,他提出了一個疑問,能否每張不出現飛地(即兩個不連通的區域屬於同一個國家的情況)的地圖,都可以用不超過四種顏色來染色,而且不會有兩個相鄰地區顏色相同呢?
  • 這個「不科學」的問題,曾讓大數學家歐拉受到了反駁
    但 18 世紀的學者尚未意識到這一點,在探討經典力學中一個非常簡單的問題時,他們也遭遇了一個奇點。為了解決這個經典力學框架下實際上無法解決的問題,包括大數學家歐拉在內的學者們想出了一些稀奇古怪的方法,得出了十分荒謬的結論。科學家花費了一個世紀才認識到這種研究是徒勞的:在奇點,理論遭遇了其極限。
  • 這個「不科學」的問題,曾讓大數學家歐拉受到了反駁
    但18 世紀的學者尚未意識到這一點,在探討經典力學中一個非常簡單的問題時,他們也遭遇了一個奇點。為了解決這個經典力學框架下實際上無法解決的問題,包括大數學家歐拉在內的學者們想出了一些稀奇古怪的方法,得出了十分荒謬的結論。科學家花費了一個世紀才認識到這種研究是徒勞的:在奇點,理論遭遇了其極限。
  • 看似簡單的問題,已經困擾人們一百多年
    這就是著名的近代三大數學難題之一——四色定理。四色定理又稱四色猜想、四色問題。1852年畢業於倫敦大學的佛朗西斯·格斯裡(Francis Guthrie)來到一家科研單位,進行地圖著色工作時,發現了一個有趣的現象:每幅地圖都可以只用四種顏色著色,就能使有共同邊界的國家都著上不同的顏色(不包含飛地)。
  • 從四色猜想到「四色定理」
    報告地點:數學樓202報告時間:12月10日9:30-10:30報告人:廈門大學錢建國教授報告題目:從四色猜想到「四色定理」—— 一個充滿故事的傳奇摘要: 歷經一個半世紀, 地圖著色「四色猜想」一直施展著它的魔法,吸引了無數頂尖數學家和民間數學家. 1976年, 哈肯和阿佩爾藉助計算機完成了四色猜想的證明
  • 為什麼數學家無法解決無窮大的問題?
    自數學發展以來,無窮大就一直困擾著人類。我們必須認識到,無窮大不是一個具體的數,而是一個想法,它只存在於抽象中。因此,就像無窮大一樣,無窮小隻存在於抽象中,但它的不確定性質不僅對數學家來說是非常令人不安的,對物理學家來說也是這樣。無窮小的誤差數學是我們用來表達物理思想的語言,所以在我們對現實本質的認識中,數學上的不一致意味著物理上的不一致。