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解法: モジュラー形式によるヴィアゾフスカの8次元・24次元球充填問題の解決

ステップ 1/9: 球充填問題と、それがすでに解決されていた次元を述べる
ざっくり言うと

球充填問題は、幼い頃からの単純な問い——同じ球をどう配置すれば重なりなくできるだけ多くの空間を埋められるか——を、私たちが見ることのできる三次元をはるかに超えた次元で問うものである。2016年以前、数学者たちが厳密な最良解を確定できていたのは次元 11、22、33 のみであった(最後がケプラーの1998年に証明された予想である)。次元 88 と 2424 は疑わしいものであった。というのも、E8E_8 格子とリーチ格子という二つの例外的に対称性の高い構造が、そこで信じがたいほどよく球を詰め込み、計算機による評価はそれらが最適にほんのわずかの差まで迫っていることを示していたからである——しかし「ほんのわずかの差」は証明ではない。

Δ8=π4384≈0.2537,Δ24=π1212!≈0.00193\Delta_8 = \frac{\pi^4}{384} \approx 0.2537, \qquad \Delta_{24} = \frac{\pi^{12}}{12!} \approx 0.00193
詳しい解説

球充填定数 Δd\Delta_d とは、Rd\mathbb{R}^d における重なり合わない単位球のあらゆる充填にわたる、空間の被覆率の上限である。これが正確に知られていたのは、d=1d=1(自明)、d=2d=2(正六角充填、Thue および Fejes Tóth)、d=3d=3(面心立方充填、Kepler 予想に対する Hales の 1998 年の証明 — これまでに完成された最も複雑な証明の一つ)のみであった。より高い次元では、評価(上下界)が存在するだけであった。

8 次元と 24 次元における最有力候補は古くから同定されていた:E8E_8 ルート格子は R8\mathbb{R}^8 で密度 π4/384≈0.2537\pi^4/384\approx0.2537 を与え、Leech 格子 Λ24\Lambda_{24} は R24\mathbb{R}^{24} で π12/12!≈0.00193\pi^{12}/12!\approx0.00193 を与える。Cohn と Elkies の 2003 年の線形計画法は、これらの密度の約 1.0000011.000001 倍以内の数値的上界を生成した — 最適性の強力な証拠であるが、評価は定理ではない。

2016 年に Viazovska は、Cohn と Elkies が存在を予想していた「魔法の関数」を構成することにより Δ8=π4/384\Delta_8=\pi^4/384 を証明した(ステップ 1–5);その 1 週間後、彼女と Cohn、Kumar、Miller、Radchenko はそれを適合させて Δ24=π12/12!\Delta_{24}=\pi^{12}/12! を証明した(ステップ 6)。1、2、3、8、24 次元が依然として唯一解決されたケースである — 驚くほどまばらなリストである。

このステップで使う知識