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未解決問題、幾何学、1694年に提起

接吻数問題

部分的に解決

各次元 n≥1n \ge 1 に対し、ユークリッド空間 Rn\mathbb{R}^n において中心の単位球に同時に接することのできる、互いに重なり合わない単位球の最大個数(接吻数)k(n)k(n) を決定せよ。

研究の最前線 2026年時点

2026年現在、正確な接吻数 k(n)k(n) が判明しているのは6つの次元のみである:k(1)=2k(1) = 2、k(2)=6k(2) = 6、k(3)=12k(3) = 12(シュッテ・ファン・デル・ヴェルデン、1953年)、k(4)=24k(4) = 24(ムシン、2003/2008年)、k(8)=240k(8) = 240、k(24)=196,560k(24) = 196,560(オドリズコ・スローンおよびレーヴェンシュタイン、1979年)。すでに次元 55 において 40≤k(5)≤4440 \le k(5) \le 44(4040 はルート格子 D5D_5 で実現)、次元 66 において 72≤k(6)≤7772 \le k(6) \le 77(7272 は E6E_6 で実現)と未解決のままである。n→∞n \to \infty における最良の漸近下界は k(n)≥(1+o(1))3π42log⁡(3/2)⋅n3/2(2/3)nk(n) \ge (1+o(1)) \frac{\sqrt{3\pi}}{4\sqrt{2}} \log(3/2) \cdot n^{3/2} (2/\sqrt{3})^n(イェンセン、ヨース、パーキンス、2018年)であり、最良の漸近上界は1978年のカバチャンスキー・レーヴェンシュタイン上界 k(n)≤20.401414n(1+o(1))k(n) \le 2^{0.401414 n (1 + o(1))} のままである。

既知の最良の結果

  • 次元 1,2,3,4,8,241, 2, 3, 4, 8, 24 において正確な値が証明されている:k(1)=2k(1)=2、k(2)=6k(2)=6、k(3)=12k(3)=12、k(4)=24k(4)=24、k(8)=240k(8)=240、k(24)=196,560k(24)=196,560。
  • 次元 5,6,75, 6, 7 では、半正定値計画法による上界と格子構成により 40≤k(5)≤4440 \le k(5) \le 44、72≤k(6)≤7772 \le k(6) \le 77、126≤k(7)≤134126 \le k(7) \le 134 が得られている(バショク・ファレンティン 2008年、ミッテルマン・ファレンティン 2010年、マシャド・デ・オリヴェイラ・フィーリョ 2018年)。

使われた手法と限界

手法達成したこと限界
デルサルトの線形計画限界とムシンの拡張ゲーゲンバウアー(超球)多項式による正定値展開を用いて、E8E_8 格子(k(8)=240k(8)=240)、リーチ格子(k(24)=196,560k(24)=196,560)、および正 2424-胞体(k(4)=24k(4)=24)の厳密な最適性を証明した。2点相関不等式だけでは n=5,6,7n=5, 6, 7 などの次元において幾何学的に実現不可能な2点間距離分布を排除しきれず、最良の格子との間に数個のギャップが残る。
多点半正定値計画階層(バショク・ファレンティン、ラセール)3点および4点の球面調和関数制約を組み込むことで、次元 5≤n≤235 \le n \le 23 にわたって上界を引き下げた。行列サイズと多項式の次数が次元 nn や階層レベルとともに急増し、次元 55 で 4040 に到達する前に計算が頭打ちとなる。

未解決の問い

  • 5次元の接吻数は、D5D_5 ルート格子が達成する k(5)=40k(5) = 40 に等しいか。
  • 現在 log⁡2(2/3)≈0.2075\log_2(2/\sqrt{3}) \approx 0.2075 と 0.40140.4014 の間にある真の指数増大率 lim⁡n→∞n−1log⁡2k(n)\lim_{n\to\infty} n^{-1} \log_2 k(n) はいくらか。

参考文献

  1. Oleg R. Musin (2008). The kissing number in four dimensions · DOI:10.4007/annals.2008.168.1 · arXiv:math/0309430
  2. Andrew M. Odlyzko, Neil J. A. Sloane (1979). New bounds for kissing numbers · DOI:10.1007/978-1-4757-6568-7_19
  3. Christine Bachoc, Frank Vallentin (2008). New upper bounds for kissing numbers from semidefinite programming · DOI:10.1090/S0894-0347-07-00589-9