世界三大數學難題之一:任何地圖只用四種顏色就能區分不同國家

2020-11-28 百家號

地圖是人類非常重要的出行工具,人們可以根據地圖的指示尋找自己的目的地和路線,有了地圖人們的出行變得更加方便、順利。

你一定見過地圖,可是你一定不知道,在數學領域還有一個關於地圖的世界難題呢!這就是著名的四色猜想問題。

四色猜想是世界三大數學難題之一,是很多數學家都樂於鑽研的問題。四色猜想包含了很多數學規律和相關知識,使得這個數學難題擁有無與倫比的獨特魅力。

四色猜想的內容是:任何一張地圖只用四種顏色就能使具有共同邊界的國家互相區分。轉化為數學術語就是說,將平面上任意地細分為不相重疊的區域,每個區域可以用1,2, 3, 4這四個數字之一來標記,而不會使相鄰的兩個區域得到相同的數字。

有關地圖的四色猜想最先是由一位叫古德裡的英國大學生提出來的。1852年, 畢業於倫敦大學的弗南西斯·格思裡來到一家科研單位搞地圖著色工作時,也發現了這種有趣的現象。格思裡認為每張地圖都可以用四種顏色著色,使得有共同邊界的國家都能被有效地區分開。

弗南西斯·格思裡

喜歡探索問題的格思裡心血來潮,決定用數學方法證明一下自己的觀點。為此,他特意找來了正在讀大學的弟弟,二人抱著極大的熱情鑽研這個問題。然而,草稿紙用了一大堆,二人也沒有得出一個確切的結論。

倫敦大學

但是格思裡和他的弟弟仍然不死心,為了找到答案,1852年10月23日, 格思裡的弟弟請教了他的老師——著名數學家德·摩爾根。摩爾根的數學造詣非常深湛,格思裡兄弟本以為這個問題根本難不倒這位數學大家。可是數天過去了,摩爾根也沒有找到解決這個問題的辦法。

德·摩爾根

摩爾根非常重視這個問題,於是他特意給著名的數學家漢密爾頓爵士寫了封信,請教解失這個問題的方法。漢密爾頓接到摩爾根的信後也開始對四色問題進行論證。遺憾的是,直到1865年漢密爾頓去世,這個問題也沒有得到解決。1872年, 英國當時最著名的數學家凱利正式向倫敦數學學會提出了這個問題,這個問題引起了廣泛的探討,四色猜想也成了倍受世界數學界關注的問題,很多數學家都開始對其展開研究。

後來,有一個名叫阿佩爾的數學家提出了用圖集集合的方法解決四色猜想這一思路。 阿佩爾認為,當找出一個包含特別圖集的集合時,任何平面圖一定會有一個特別圖為子圖,如果需要用五種顏色來填充的話,那麼頂點最少的圖也需要五種顏色來填充。這個方法起初很可行,可是隨著頂點數的增加,人們很難到斷一個圖是否為特別圖,這種方法也就變得不可行了。

隨著科技的發展,在計算機的幫助下,四色問題終於被解決了。1976年, 數學家希奇在伊利諾伊大學的IBM360機上分1482種情況檢查,歷時1200個小時,作了100億個判斷,最終證明了四色定理。就這樣,這個困擾數學家多年的堡壘最終被計算機這種強大的運算機器攻克了。

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