3页纸能做什么?推翻一个数学猜想!

作者: Yaroslav Shitov

来源: https://www.quantamagazine.org/mathematician-disproves-hedetniemis-graph-theory-conjecture-20190617/

发布日期: 2019-06-18

俄罗斯数学家Yaroslav Shitov通过一篇仅3页的论文,推翻了数学家Stephen Hedetniemi于1966年提出的一个重要图论猜想。这个猜想涉及图的张量积所需的最少颜色数量,多年来无人能解。Shitov的方法简单而精妙,构造了一个反例,证明张量积所需的颜色数量可以少于构成图中的任何一种。这一发现解决了数学界长期以来的难题,并为未来的研究打开了新的方向。

Yaroslav Shitov是一名俄罗斯的数学家,上个月,他在arXiv发表了一篇论文,在这篇只有3页长(主体部分仅有2页)的论文中,他推翻了数学家Stephen Hedetniemi在1966年提出的一个猜想。这是一个在图论中非常重要的猜想,几十年来,不断有数学家想要尝试解开这个难题,却一直无人能够判断它究竟是对是错,直到现在……

在介绍Hedetniemi的猜想之前,我们先要介绍的是另一个数学家们已经研究了200多年的热点问题,那就是如何在地 图上给相邻的国家涂上不同的颜色。这一类问题启发了很多类似的数学研究,他们或许看起来容易,但解起来却非常难。这一领域中的四色地图问题便是这样一个猜想:用4种颜色足以给任何一张地图上色吗?数学家花了一个多世纪的时间,终于得到了肯定的答案。

数学家从地图着色问题中受到启发,继而开始探索网络(或者说“图”)中的节点着色问题。他们的目标是要弄清楚如何给图中的节点着上颜色,使得两个相连的节点颜色不一样。这个问题与两个张量的张量积有关。张量积是两个不同的图(G和H)以某种特定的方式组合而成的更新、更大的图。

在新的图中,每个节点代表着一对来自原始图的节点——一个来自G、一个来自H,而且如果两个在张量积中的节点是相连的,那么它们在H、G上的相应节点就也是相连的。

53年前,Hedetniemi在他的博士论文中提出猜想:一个张量积所需的最少颜色数量,与组成它的两张图中需要颜色数量较小的那张相同。这么多年来,数学家们积累了很多与它有关的研究,有人相信它是正确的,有人觉得它不对。但如果它是错的,又没人能提供一个可以有效驳斥这个猜想的反例。

直到Shitov想出了一种简单而精妙的方法,成功地构造出了一个反例:张量积所需要的颜色数量比两种构成图中的任何一种都少。

Shitov的图非常庞大,虽然具体的数字还没有计算出来,但他估计G图可能至少有4¹⁰⁰个节点,而指数图则至少有4¹⁰⁰⁰⁰个节点。这个数字甚至远远大于可观测宇宙中的粒子数量。不过在Shitov看来,这样的数字在数学证明中并不是没有先例,算不上极大,而且他的研究也没有排除存在更小反例的可能。

现在,数学家们已经知道Hedetniemi的猜想是错误的,那么下一个问题自然就是它错的程度有多大:与组成图相比,一个张量积所需的颜色要可以少多少,以及这样的反例能有多少节点和连接。在Shitov用仅仅两页纸的篇章证明了这个问题之后,数学家将可以对这个问题继续加以推敲。

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