不执着到这个程度,也配叫“干杯”?

作者: matrix67

来源: 果壳

发布日期: 2015-11-20

本文探讨了在不同数量的酒杯或圆柱体之间实现两两接触的可能性,从三个人干杯的完美接触到八个圆柱体的布局挑战,展示了数学家们对这个空间几何问题的深入研究。

从平面几何的角度来说,三个人干杯是最完美的——三个酒杯可以两两之间互相接触。一旦干杯的人数上到了四个,问题就有些麻烦了:对于每一种固定的干杯姿势,总有两个人的杯子挨不到一块儿。有办法让四个酒杯两两之间都能碰到一起吗?

如果把酒杯布局方案扩展到空间中的话,理论上这是可以做到的——只需要像下图那样,把第四个酒杯置于三个酒杯之上就行了。

理论上说,四个酒杯互相接触也是可以的。

大家或许会认为,这已经是极限了吧。如果有五个酒杯,还能保证两两之间都能接触吗?出人意料的是,这也是可以办到的,只不过更加困难一些:

五个酒杯互相接触的布局。注意,要想实现这种布局,酒杯的高度必须是直径的两倍左右,而且角度很难控制,建议大家不要去尝试。即使是成功了,恐怕酒也洒得差不多吧。

在保证互相接触的前提下,酒杯的数量还能更多吗?这个貌似很蛋疼的问题早就引起了数学家们的关注,有人还严肃地把它抽象成了一个空间几何数学问题,进行了更为细致的研究。1968 年,数学家 Littlewood 在一篇论文中正式发起提问:空间中两两之间互相接触的圆柱体最多可以有多少个?

如果不限定圆柱体的长度,我们很容易找到六个圆柱体互相接触的布局。如下图,把其中三个圆柱体摆成“|”形,让他们互相接触;再把它们重叠在另外一组“|”形的圆柱体之上,便实现了六个圆柱体两两接触的要求。如果你手边有足够多的铅笔,不妨自己试一试。

事情并没有到此结束。趣味数学大神 Martin Gardner 在 Hexaflexagons and other mathematical diversions 一书中提到了这么一个问题:能否摆放七支香烟,让它们两两之间都有接触?Martin Gardner 自己给出了一个非常精妙的答案:让其中一个圆柱体直立在桌面上,另外六个圆柱体分两层在周围环绕。

如果圆柱体的个数上升到八个,还能找到满足要求的布局方案吗?这个问题的上限究竟是多少?直到现在,数学家们仍然没有得到一个定论。茶余饭后摆弄摆弄吧,或许你能破解一个数学未解之谜呢!

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