Math Labs

Lời giải: Chứng minh xả tải của Appel–Haken với tính khử được kiểm tra bằng máy tính (1976)

Bước 1 trên 8: Đưa tô màu bản đồ về tô màu đồ thị phẳng, bằng phản chứng
Hiểu nôm na

Vẽ một dấu chấm bên trong mỗi quốc gia của bản đồ và nối hai dấu chấm bằng một đường thẳng mỗi khi hai quốc gia đó có chung biên giới; câu hỏi tô màu bản đồ — liệu mọi bản đồ có tô được chỉ với 44 màu sao cho các nước láng giềng khác màu hay không — trở thành câu hỏi tô màu các dấu chấm của đồ thị này sao cho hai dấu chấm nối nhau không bao giờ cùng màu.

Để chứng minh không bản đồ nào cần tới màu thứ 55, các nhà toán học hình dung điều ngược lại: giả sử có một bản đồ nào đó thực sự cần 55 màu, và trong số mọi bản đồ rắc rối như vậy, chọn ra bản đồ nhỏ nhất. Nếu giả thiết đó dẫn tới mâu thuẫn, không bản đồ nào như vậy có thể tồn tại — một chiến lược chứng minh kinh điển gọi là phản ví dụ tối thiểu.

χ(G)≤4 for every planar graph G\chi(G) \le 4 \ \text{for every planar graph } G
Phân tích chi tiết

Mỗi bản đồ cho một đồ thị phẳng qua phép đối ngẫu: đặt một đỉnh vào trong mỗi miền của bản đồ và nối hai đỉnh bằng một cạnh mỗi khi hai miền đó chung một cạnh biên. Bản đồ tô được bằng bốn màu khi và chỉ khi đồ thị đối ngẫu GG này thỏa χ(G)≤4\chi(G) \le 4, trong đó χ(G)\chi(G) là số tô màu — số màu ít nhất trong một phép tô đỉnh đúng. Khuyên không bao giờ xuất hiện (không miền nào tự kề chính nó) và các cạnh song song có thể gộp thành một mà không ảnh hưởng tới khả năng tô màu, nên GG có thể lấy là đồ thị phẳng đơn.

Giả sử định lý sai và chọn một phản ví dụ GG có ít đỉnh nhất: tính sắp thứ tự tốt của số tự nhiên bảo đảm một GG như vậy tồn tại bất cứ khi nào có phản ví dụ nào. Tính tối thiểu là động cơ của toàn bộ lập luận — mọi đồ thị con thực sự hay đồ thị co của GG đều nhỏ hơn, do đó tô được bằng bốn màu, và mọi bước sau đều khai thác điều này bằng cách tô một đồ thị nhỏ hơn rồi sửa phép tô trên phần đã bỏ đi. Điều đó cũng giải thích vì sao GG không thể quá thưa lẫn quá cứng: K5K_5 không phẳng, nên GG không thể chỉ là một trở ngại kiểu đồ thị đầy đủ, và tính phẳng buộc GG chứa cấu trúc bậc thấp được nghiên cứu ở bước tiếp theo.

Chiến lược — giả sử một phản ví dụ tối thiểu rồi chỉ ra mọi cấu trúc con bắt buộc phải có của nó đều khử được — bắt nguồn từ nỗ lực năm 1879 của Kempe (có lỗi mà Heawood chỉ ra năm 1890) và được Birkhoff rồi Heesch phát triển; chính Heesch đưa ra các khái niệm tập không thể tránh và tính khử được mà Appel và Haken đã hoàn tất trong bài báo năm 1977 trên Illinois Journal of Mathematics.

Thuật ngữ trong bước này
Số tô màu χ(G)\chi(G)
Số màu ít nhất cần dùng để tô các đỉnh của một đồ thị GG sao cho không cạnh nào nối hai đỉnh cùng màu.
Phản ví dụ tối thiểu
Trong số mọi đối tượng (ở đây là đồ thị phẳng) vi phạm một định lý được khẳng định, đối tượng nhỏ nhất; dùng để suy ra mâu thuẫn bằng cách chỉ ra nó phải chứa một phản ví dụ nhỏ hơn, điều không thể xảy ra.
Kiến thức dùng ở bước này