业余数学家如何解决百年数学难题?

来源: https://www.quantamagazine.org/amateur-mathematician-finds-smallest-universal-cover-20181115/

发布日期: 2018-11-17

Philip Gibbs,一位从学术界转向软件工程的退休人士,通过自己的编程背景和对数学问题的兴趣,成功挑战并改进了百年难题——勒贝格的万有覆叠问题。他的工作不仅将最小万有覆叠的面积减少了近百万倍,还激发了更多数学家对这一问题的兴趣。

如果离开了大学,还能继续做一个科学家或数学家吗?即使早在1905年,在专利局工作的爱因斯坦也会遭遇文献获取的困难,他不得不在对玻尔兹曼的工作不那么清楚的情况下,重新开拓自己的道路。而到了今天,专业分工更为精细,每一个细分领域都有着浩如烟海的文献,专业研究者尚且会淹没其中,非专业人员即使对一些问题感兴趣,也很难弄清楚研究的前沿在哪里,更不要说找到一条路径,解决自己感兴趣的问题了。

然而,有这么一位“非职业”数学家,他挑战了一个能让最精密严格的数学家也为之疯狂的问题。这位“非职业”的数学家,名叫Philip Gibbs。年轻的时候,Gibbs想过要成为一名科学家,所以就去剑桥大学数学系读了本科,然后又跑到格拉斯哥大学获得了理论物理学的博士学位。但是这位少侠很快就对学术研究失去了热情,转而成为了一名软件工程师。

直到2006年退休之前,他都在忙于为船舶设计、空中交通管制和金融等领域设计软件系统。这时,Gibbs仍然对学术问题很感兴趣,但是一个人作为独立科学家,很难跟上科学界所发生的一切。幸好,他会阅读加州大学河滨分校的数学家John Baez的博客,当他看到一篇谈论法国数学家亨利·勒贝格的万有覆叠问题的文章时,他意识到,这正是能深深吸引他的东西。万有覆叠问题这个问题最初是由勒贝格提出的。

1914年,勒贝格在给朋友Julius Pál的信中问道:对于许多不同(但都具某种共同特征)的形状,能够覆盖他们的最小面积的形状是什么?这,就是所谓的万有覆叠问题。假如你找到了一个万有覆叠,又要怎样才能知道这就是面积最小的形状呢?你可以继续回到寻找覆叠的那一步,找一些边边角角,这里剪一点,那里剪一点。这正是勒贝格万有覆叠问题的精神宗旨。

只不过这个问题考虑的不是修剪,而是任意两点间的距离不超过一个单位的形状。圆是最明显的直径可以为1的形状,但是还有无限多的其他形状:等边三角形、正五边形、正六边形、三边膨胀的勒洛三角形,这些还只不过是开始。正是形状的多样性使得我们在寻找最小覆叠时困难重重。Pál在收到勒贝格的来信后不久,意识到正六边形是一个万有覆叠。然后,他找到了一个更好的答案。

他注意到,可以剪切掉正六边形下方两个不连续的角,得到的形状有着更小的面积,却仍然是一个万有覆叠。在接下来的80年,另外两个数学家在Pál的万有覆叠的基础上,又剪掉了一些角。1936年,Roland Sprague去除了一个角的一部分。1992年,H. C. Hansen又剪切掉了左下角和右下角的两个非常小的楔形,它们的面积只有0.00000000004个单位。

上面的示意图不可避免的具有误导性,因为根本不可能按照实际尺寸画出这个形状,事实上,这些剪切掉的面积几乎只是原子尺寸的碎片。2013年,Baez的数学博客让沉寂多年的勒贝格万有覆叠问题不再默默无闻。Baez承认,自己对这个问题的兴趣有些病态,自己被这个问题吸引,就像一个人会被昆虫淹没的景象吸引一样——露出水面的面积变得越来越小。它似乎并不是一个重要的问题,自己也很难看到它与许多其他美丽的数学的联系。

但是,相比于最初的想法,这个问题似乎惊人的困难,钻研这个问题的人就像是决定要滑雪穿越南极一样。这个问题从来没有多少数学家关注,因此,Gibbs想,或许他能在这个问题上取得一些进展。他还意识到,自己的编程背景其实是一个优势,他可以用计算机做一些数学实验。2014年,Gibbs用计算机随机生成了200个直径为1个单位的形状,并用它们做数学模拟。结果表明,他或许可以在先前最小覆叠的顶角处剪切掉一些面积。

然后,他证明这个新的覆叠对所有可能的直径为1个单位的形状都适用。Gibbs将证明寄给Baez,Baez让自己的一个学生Bagdasaryan来帮助Gibbs,将证明修改成更加正式的数学风格。2015年二月,三人将论文发表到网上。

这次新的结果将最小万有覆叠的面积从0.8441377减少到0.8441153个单位,剪切掉的那部分面积只有0.0000224个单位,几乎是1992年Hansen剪切掉的面积的一百万倍。Gibbs相信自己可以做得更好。刚刚过去的十月,他又从之前的万有覆叠中削掉了“庞大的”一片,将面积减少到了0.84409359个单位。

Gibbs所采用的策略,是将所有直径为1的形状都放到之前的最小万有覆叠的一个角落,然后剪切掉相反角落多余的面积。他必须精确地计算出减少的面积。Gibbs使用的数学技巧全部来自欧几里德几何,但他所需要达到的计算精度,是会让高中生目瞪口呆的。Gibbs相信,还有很大的空间去找到更好的最小万有覆叠。而Baez希望Gibbs为勒贝格万有覆叠问题带来的关注,能激发其他数学家的兴趣。

到那时,或许就可以丢掉初级的欧几里德几何,转而使用更现代的数学技巧,以一种截然不同的想法面对这个问题的挑战。

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