Math Labs

Lời giải: Kahn và Kalai bác bỏ giả thuyết Borsuk qua định lý Frankl–Wilson

Bước 1 trên 7: Giả thuyết năm 1933 của Borsuk: liệu f(d)=d+1f(d) = d+1?
Hiểu nôm na

Cắt một hình có một độ rộng cho trước thành vài mảnh nhỏ hơn, hẹp hơn thực sự — giống như cắt một chiếc pizza tròn thành các miếng hình quạt sao cho không miếng nào rộng bằng cả chiếc pizza. Trên mặt phẳng, ba miếng luôn đủ cho bất kỳ hình nào; trong không gian, bốn miếng. Borsuk đưa ra giả thuyết rằng mô hình này — nhiều hơn số chiều đúng một — tiếp tục mãi mãi, và suốt sáu mươi năm mọi người đều tin điều đó, vì nó đã được biết là đúng với các hình tròn trơn và các hình đối xứng qua tâm ở mọi chiều.

f(d):=min⁡{k:every set of diameter 1 in Rd splits into k sets of smaller diameter}f(d) := \min\{k : \text{every set of diameter } 1 \text{ in } \mathbb{R}^d \text{ splits into } k \text{ sets of smaller diameter}\}
Phân tích chi tiết

Năm 1933, Borsuk đặt giả thuyết rằng mọi tập bị chặn S⊂RnS \subset \mathbb{R}^n đều có thể chia thành n+1n+1 mảnh, mỗi mảnh có đường kính nhỏ hơn thực sự so với d(S)=max⁡x,y∈S∥x−y∥2d(S) = \max_{x,y \in S} \|x-y\|_2. Chặn dưới f(n)≥n+1f(n) \ge n+1 là dễ (các đỉnh của một đơn hình đều, hay một hình cầu qua định lý Borsuk–Ulam, cả hai đều cần nhiều mảnh như vậy); giả thuyết được chứng minh đúng ở các chiều n=2n=2 và n=3n=3, và với mọi vật lồi đối xứng qua tâm hay trơn ở mọi chiều, đó là lý do nó được tin tưởng rộng rãi.

Trước Kahn và Kalai, vài tác giả đã gợi ý rằng một phản ví dụ, nếu tồn tại, sẽ đến từ tổ hợp chứ không phải hình học trơn. Năm 1965, Ludwig Danzer chỉ ra rằng một tập hữu hạn các vectơ {0,1}\{0,1\} có trọng số cố định không thể được phủ bởi (1.003)d(1.003)^d hình cầu có đường kính nhỏ hơn, một gợi ý đầu tiên rằng các cấu hình tổ hợp chiều cao chống lại việc chia thành ít mảnh; Paul Erdős và David Larman độc lập nêu ra khả năng về một phản ví dụ thực sự theo hướng này.

Thuật ngữ trong bước này
đường kính của một tập
Khoảng cách lớn nhất ∥x−y∥2\|x-y\|_2 giữa hai điểm bất kỳ x,yx, y của một tập SS; một phép chia thành các mảnh 'có đường kính nhỏ hơn' nghĩa là khoảng cách nội tại lớn nhất của mỗi mảnh nhỏ hơn thực sự so với của cả tập.
vật lồi đối xứng qua tâm
Một hình lồi SS có một tâm cc sao cho x∈Sx \in S kéo theo 2c−x∈S2c - x \in S (hình trông giống hệt sau khi quay 180°180° quanh cc), chẳng hạn hình cầu, hình lập phương, hay hình elip.
Kiến thức dùng ở bước này