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| 地图着色知多少——四色定理及其证明 | |||||
| 作者:未知 文章来源:网上下载 点击数: 更新时间:2005-6-21 | |||||
| 地图着色知多少——四色定理及其证明 1976年6月,发生了一件轰动数学界的大事:困扰数学家们100多年的“四色定理”终于被证明了。证明是由美国数学家阿佩尔和哈肯利用高速计算机工作1200个小时才完成的。如果这一过程要人工计算的话,大概得用几十万年的时间。真不可想象! 四色问题的发现 1852年,刚从伦敦大学毕业的弗南希斯在对英国的地图着色时,发现了一个有趣的现象:无论多么复杂的地图,只需要用四种颜色就能将它区分开来,也就是说,用四种颜色着色就能保证不会有两个相邻地区的颜色相同。 弗南希斯将自己的发现告诉给哥哥弗德雷克,引起了弗德雷克的浓厚兴趣,他深信弟弟所发现的这个结论是正确的,并企图从数学的角度对这个结论给予证明,但所有的努力都失败了。在百思不得其解的情况下,只得专程去请教他的老师、英国著名的数学家德·摩根教授。摩根教授绞尽脑汁研究这个问题,可也一无所获。后来,他将这一猜想写信告诉了在都柏林的著名数学家哈密尔顿,于是“四色猜想”首次以数学的形式提了出来。
乍看起来,四色猜想很简单,现在世界上的国家和地区,也不过200多个,用四种颜色着色区分,这是不难办到的。但是,作为一个数学问题来说,它所要讨论的不是哪一张具体地图,而是概括所有可能的地图着色问题。它所涉及的国家地区的数目可以是任意的,而且边界也可以是各式各样的。 此外,四色问题所讨论的地图,还有两条限制: 一条是在地图中,每个国家必须连成一片。不能分成不相连的两片或更多片。 另一条是,在地图中,两个国家(或地区)的边界必须是直线或者曲线,不能是一点。 曲折的证明程 著名数学家哈密尔顿对“四色猜想”产生了极大的兴趣,经过长达13年的努力,直到1865年去世,其研究工作依然毫无结果。
四色猜想刚被提出时,并没引起很大的注意,许多数学家低估了它的难度。爱因斯坦的老师闵可夫斯基是著名的数论专家,也是一位非常谦虚的人。他曾认为四色猜想的证明并不复杂,其所以一直没有获得解决,仅仅是因为当时世界上一流的数学家没有研究它。有一次给学生上课时,偶然谈到了这个猜想,他说可以给出证明,并试图当堂证给学生看。可是他证得满头大汗,却是一筹莫展,只好第二次上课时接着证。一连几堂课,费尽九牛二虎之力,仍然证不出来。有一次,证明时正好天下大雨,雷声震耳,他惭愧地对学生说:“老天在责备我讲大话了,我证明不了四色猜想。” 此后,许多数学家都曾声称给出了这个猜想的证明,但后来逐渐都被发现其证明是有毛病的。这样,四色问题就成了世界上著名的难题之一。一百多年来,没有人能证明它成立,也没有人能举出反例来推翻它,它使数学家们深受困扰。 计算机解决了问题
1879年,肯普曾宣布他证明了四色问题。他的证明虽然在11年后被数学家赫伍德否定了,但是人们认为他的证明思路,有很多可取之处。20世纪以来,许多人一直在继续按照他的思路,推进着四色问题的证明工作,并且取得了不少成就。可惜这些成就所提供的检验方法太复杂,人们难以实现。例如有人在1970年设计的方案,用当时的计算机来算,也需要连续不断地工作十万个小时,也就是说,要连续不断地计算11年以上,才能得出结论,所以难以证实。 之后,人们又大大地改进了证明方案,而且计算机的能力及其使用方法也有了飞快的进步,为机器证明四色猜想创造了条件。 本世纪70年代中期,美国伊利诺斯州立大学的数学家阿佩尔和哈肯独树一帜,利用高速计算机对“四色猜想”进行证明。他们运用了一种“不可避免性”理论,从一万多张地图中挑选了近两千张上机检验,对每一张地图都使用了二十万种可能的方法着色,计算机作了两百亿个逻辑判定,经过1200小时的计算,终于在1976年6月证明了这个数学名题。伊利诺斯数学杂志的审稿人,对阿佩尔与哈肯证明的审查,也是通过计算机来实现的。 阿佩尔与哈肯的工作,使延续了124年之久的四色问题得到证明,成为四色定理。计算机在证明数学难题方面立下了功勋。这一成果轰动世界,引起了极大的反响。 四色定理本身没有多少实用价值,人们可以用四种颜色绘制地图,也可用更多的颜色区分填充。但它曲折的证明历程使人深思,激发人们敢于面对困难,迎接挑战,去探索问题的真谛。美国数学家的贡献主要不在于证明四色定理本身,而在于用计算机解决了人们多年来无法解决的理论问题。它表明,靠人与机器合作,有可能完成连最著名的数学家至今也束手无策的工作,标志着人类认识能力的一个飞跃,极大地推动了以计算机为基础的人工智能的发展。目前,尚有一些问题留待人们去解决:已有的证明能不能简化?可不可以不用计算机而给出证明?这些问题仍吸引着有志者继续进行探索。 |
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