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未解決問題、幾何学, 位相幾何学(トポロジー)、1911年に提起

内接正方形問題(テプリッツ予想)

未解決

平面内の任意のジョルダン曲線 γ⊂R2\gamma \subset \mathbb{R}^2(連続な単純閉曲線)は、非退化な正方形の4頂点をなす相異なる4点を含む。

研究の最前線 2026年時点

2026年現在、テプリッツの内接正方形問題は、一般の連続な(たとえばフラクタルや至るところ微分不可能な)ジョルダン曲線 γ⊂R2\gamma \subset \mathbb{R}^2 に対しては未解決のままである。滑らかなジョルダン曲線については、ジョシュア・エヴァン・グリーンとアンドリュー・ロブ(`arXiv:2005.09193`、2021年に Annals of Mathematics に掲載)がすべての縦横比に対する長方形内接予想を証明し、その後すべての円内接四角形へ拡張した。2024年(`arXiv:2407.07798`)には、グリーンとロブがジョルダン・フレアホモロジーのスペクトル不変量を導入し、タオのリプシッツグラフ内接定理のリプシッツ定数の上限を 11 から 1+21 + \sqrt{2} へと引き上げた。一般の連続曲線における最大の障害は、連続曲線を滑らかな曲線列 γk→γ\gamma_k \to \gamma で近似した際、γk\gamma_k 上の内接正方形の辺長が極限で 00 に潰れてしまう可能性を排除できない点にある。

既知の最良の結果

  • すべての滑らかな(C∞C^\infty)ジョルダン曲線は、あらゆる縦横比の長方形およびあらゆる円内接四角形を内接させる(グリーン、ロブ、2020〜2021年)。
  • 尖点をもたないすべての局所単調ジョルダン曲線、およびリプシッツ定数が <1+2< 1 + \sqrt{2} の2つのリプシッツグラフで囲まれたすべての曲線は正方形を内接させる(ストロムクイスト 1989年、タオ 2017年、グリーン・ロブ 2024年)。

使われた手法と限界

手法達成したこと限界
シンプレクティック幾何学とラグランジュ交差理論同じ中点と長さをもつ弦の対を C2\mathbb{C}^2 内のラグランジュ部分多様体の交点として符号化し、滑らかな曲線に対する長方形および円内接四角形の内接問題を解決した(グリーン・ロブ、2020年)。滑らかな接ベクトル(あるいはフレアホモロジーを介した緩やかなリプシッツ正則性)を必要とし、粗い連続曲線では曲線に沿った無限小の正方形と真の巨視的な正方形とを分離できない。
位相的偶奇性と配置空間の不変量一般的な滑らかな曲線や区分的解析曲線が奇数個の内接正方形をもつこと、また任意の連続ジョルダン曲線が長方形を内接させること(ヴォーン、1977年)を証明した。角やフラクタル振動をもつ粗い曲線の極限では、滑らかな近似曲線上の非退化な正方形の列が単一の頂点へと潰れてしまう可能性がある。

未解決の問い

  • 滑らかさやリプシッツ条件を一切仮定しない R2\mathbb{R}^2 の任意の連続ジョルダン曲線は、正方形の4頂点を含むか。
  • 任意の連続ジョルダン曲線はあらゆる縦横比の長方形を内接させるか、それともフラクタル曲線は特定の縦横比を回避し得るか。

参考文献

  1. Joshua Evan Greene, Andrew Lobb (2021). The rectangular peg problem · DOI:10.4007/annals.2021.194.2.4 · arXiv:2005.09193
  2. Joshua Evan Greene, Andrew Lobb (2024). Square pegs between two graphs · arXiv:2407.07798 [プレプリント・未査読]
  3. Benjamin Matschke (2014). A survey on the square peg problem · DOI:10.1090/noti1100