一個退休程式設計師，用高中幾何方法，讓百年數學難題逼近理論極限
- 2020 年 2 月 12 日
- 筆記
十三 賴可 發自 凹非寺 量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
試想一下，如果你的褲子破了好幾個洞，每個洞形狀各異，但是寬度都不超過1厘米。
該如何設計一個通用的修補程式，能夠把所有的洞都補上呢？
這個問題在數學上叫做：萬有覆蓋問題（universal covering problem)。
已經讓數學家思考了一百年。
乍一聽上去，這像是一個很簡單的問題。
但是稍微想一想，似乎又不那麼簡單。
比如一個邊長為1的等腰三角形，和一個直徑為1 的圓形，兩者的直徑都為 1。
但是，這個三角形就不能被圓形覆蓋。
而最近，一個退休程式設計師，用高中方法取得了最新進展。
為什麼這麼難？
這個難題的的提出者，法國著名數學家：勒貝格(Henri Léon Lebesgue)。
△Henri Léon Lebesgue
他提出了勒貝格積分，拓寬了積分學的研究範圍。
在1914時，他給好朋友Julius Pál（也是數學家）寫信時提了一個問題：
在一個平面上，找一個最小區域，讓它可以覆蓋直徑不超過1個單位的面積？
直徑不超過1個單位的任意形狀，就是一個封閉曲線的邊緣上，最遠兩點的距離不超過1個單位。
這個問題最難的部分是：
無法窮舉所有直徑為1的形狀到底長什麼樣子。
直徑為1的形狀千千萬，到底用哪種萬能修補程式才能全部覆蓋它們呢？
萬有覆蓋「通用」方法
但是這個問題並不難上手，只要你有高中數學基礎，就可以試一下。
接下來，讓我們一起看看數學家們目前解決這個問題的方法。
從直徑為1的需要覆蓋的區域R入手。
雖然不知道R長什麼樣子，能夠確定的一點是：它絕對不會超過1個單位的寬度。
那麼就先假設它有2個點——A和B，距離為1個單位。
現在，我們假設除了A和B之外，在R區域內還存在一個點C。
那麼C可能在哪裡呢？
它不可能大於A的1個單位，這意味著它必須在以A為圓心且半徑為1的圓中。
但另外一個問題是，C和B的距離也不能超過1個單位。
所以C也必須在以B為圓心且半徑為1的圓中。
所以，C的位置就確定在了兩個圓形的交集位置。
到A和B的距離不能超過1，這一條件不僅僅適用於點C，還適用於區域R中的每個點。
所以R中的每一個點都必須位於這兩個圓的交集區域中。
換句話說，這個區域可以覆蓋直徑為1的所有可能的R集，是一個萬有覆蓋區域。
但是這個區域不是最小面積，需要對它進行一下修剪。
注意，圓的相交點形成兩個等邊三角形，頂點分別是是A、B，以及距離AB中點垂直距離為√3/2的上下兩個點。
因為√3/2大於1/2，我們可以畫兩條平行線，與AB平行，距離AB 1/2個單位。
現在，考慮下圖中紅色的區域。
因為兩個平行線之間的距離為1個單位，所以直徑為1的集合不可能同時出現在兩個紅色區域。就可以去掉一個。
這樣萬有覆蓋面積從原來的(2π/3)-(√3/2)≈1.228，減少到(π/2)-1/2≈1.071
從一個基本的萬有覆蓋開始，可以通過去掉一個無關緊要的部分，來縮小它的面積。
這就是數學家們得到最小萬有覆蓋的方法。
優化方法：Pál六邊形
通過更先進的技術，我們還能找到一些其他的簡單形狀。
Pál利用定寬曲線的特性表明：
即使直徑為1的一組曲線，可能會從直徑1的圓中「伸」出來，它也總是可以通過移動或旋轉，以適應圍成這個圓的六邊形。
下圖就展示了Pál提出的，可以覆蓋各種形狀(直徑為1)的六邊形。
上圖中間的形狀是一個勒洛三角形(Reuleaux triangle)，這是一個與我們上一小節提到的萬有覆蓋密切相關的定寬曲線。
勒洛三角形是一個弧三角形，通過三個相同的圓可以獲得。
這個六邊形的面積是√3/2≈0.866，比我們上小節所得到的面積還要小。
但Pál也表示，並不需要整個六邊形。
他通過巧妙的旋轉，去掉了一些無關部分。
首先，將兩個Pál六邊形堆疊在一起。
其中一個六邊形繞中心旋轉30度。
出現了6個紅色小三角形。
每個紅色小三角形，都處在未旋轉六邊形的外部，以及旋轉六邊形的內部。
由於每個六邊形平行對邊的距離是1個單位，所以對著的兩個紅色小三角形中的點距離肯定大於1個單位。
也就是說，一組直徑為1的形狀不可能同時出現在兩個相對的紅色小三角形中。
按照上一小節的思路，可能會覺得應該能從6個小三角形去掉3個小三角形，但實際上是不行的。
因為一個六邊形旋轉60度，或者對稱翻轉一下，都不會發生形狀的改變。
所以從相對的一對中選擇一個紅色三角形只有兩種不同的方法：
3個三角形可以是連續的，也可以是交替的。
但是，我們可以去掉2個這樣的小三角形。Pál就是這麼做的。
他從他的六邊形上切下兩個三角形，得到一個保證能覆蓋所有直徑為1的區域的新形狀。
這種新的萬有覆蓋的面積是2-2/√3≈0.8453，比六邊形面積略小一些。 但是Pál六邊形並不是最優解。
在此基礎上，數學家和數學愛好者們繼續修修剪剪。
在1992年，數學家Roland Sprague和HC Hansen在Pál六邊形上減去了三個小細條。
使面積縮小為0.844137708416。
Sprague減少了0.001單位面積，Hansen減少了0.00000000004單位面積。
退休程式設計師用高中幾何，兩次逼近極限
然後二十年過去了，這個問題毫無進展。
直到2014年，一位叫做Philip Gibbs的退休軟體工程師嘗試解決這個數學問題。
他利用自己的編程背景優勢，嘗試用電腦解來解決。
△Philip Gibbs
Gibbs首先對200個隨機生成的直徑為1的形狀進行了電腦模擬。
這些模擬結果表明，他或許能夠修剪一個最小萬有覆蓋空間頂部角落的一些區域。
隨後，他證明了新的覆蓋對所有可能的直徑為1的形狀都適用。
2015年2月，Gibbs和兩位共同研究者將論文發表在了網上。
△論文地址：https://arxiv.org/abs/1502.01251
他們把最小萬有覆蓋面從0.8441377減少到0.8441153單位面積。
他的策略是將所有直徑為1的形狀移到他早些年發現的萬有覆蓋的某一角。
然後把對角部分剩下的任何區域都去掉；然而從節省面積測量的角度來說，卻是非常精確的。
雖然此次減小的單位面積只有0.0000224，但這卻幾乎是漢森在1992年減少的面積的100萬倍！
然而，這並未阻止他進一步的「裁剪」。
2018年10月，Gibbs獨自又發布了一篇文章，再次將最小萬有覆蓋面積縮小。
△論文地址：https://arxiv.org/abs/1810.10089
要知道，在Gibbs的基礎上再縮小覆蓋面積實屬不易。正如來自加州大學河濱分校的數學家約翰·貝茲所說：
你不可能真的把這些碎片畫出來，因為他們都是原子大小的。
而Gibbs卻再次突破了極限，堪稱原子剪刀。
這一次他的著手點是上圖中的點A和點E。
最終，通過這次研究，得到的最小面積就是0.8440935944。
值得一提的是，實驗方法基本都屬於高中幾何知識。
正如貝茲所評價：
從數學角度來說，這只是高中幾何難度，但是它幾乎讓人為之瘋狂。
極限挑戰，仍將繼續
問題雖然還沒有最終解決，但是在2005年的時候，有數學家計算出了這個問題的理論下限，萬有覆蓋範圍不能小於0.832單位面積。
抵達終點最後一步步依舊等待人來跨越，困難之處依舊在於，直徑唯一的形狀千變萬化，最後給出的範圍需要涵蓋所有可能性。
如果你做到了，名字就將載入數學史。
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QuantaMagazine部落格： https://www.quantamagazine.org/how-simple-math-can-cover-even-the-most-complex-holes-20200108/ https://www.quantamagazine.org/amateur-mathematician-finds-smallest-universal-cover-20181115/
GitHub項目地址： https://github.com/guadaran/lebesgue-universal-covering-problem
作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者
