Math Labs

Lời giải: Flyspeck: chứng minh hình thức của giả thuyết Kepler trong HOL Light và Isabelle (2015)

Bước 1 trên 9: Phát biểu giả thuyết năm 1611 của Kepler và kế hoạch cho một chứng minh được máy kiểm tra
Hiểu nôm na

Hãy tưởng tượng cách xếp cam ở siêu thị: hình chóp mà ai cũng dùng, gọi là cách xếp lập phương tâm mặt, lấp đầy khoảng 74%74\% không gian. Năm 1611, Kepler đoán rằng không cách xếp nào các quả cầu bằng nhau, dù khéo léo đến đâu, có thể vượt qua cách này — nhưng "không cách xếp nào, không bao giờ" là một khẳng định vô hạn về vô số cách xếp có thể có, nên không ai có thể kiểm tra bằng tay. Kế hoạch của chứng minh này là thu gọn khẳng định vô hạn đó thành một danh sách hữu hạn, máy móc mà một chương trình máy tính có thể chạy qua và một trợ lý chứng minh có thể xác thực từng dòng.

Δ3=π18≈0.7405\Delta_3 = \frac{\pi}{\sqrt{18}} \approx 0.7405
Phân tích chi tiết

Một cách xếp là một tập rời rạc vô hạn V⊂R3V \subset \mathbb{R}^3 các tâm quả cầu đơn vị, với mọi hai điểm cách nhau ít nhất 22; mật độ của nó là giới hạn của tỉ lệ không gian mà các quả cầu lấp đầy trong một hộp chứa lớn. Cuốn sách nhỏ "Về bông tuyết sáu cạnh" (1611) của Kepler đưa ra giả thuyết rằng mật độ này không bao giờ vượt quá Δ3=π/18≈0.7405\Delta_3 = \pi/\sqrt{18} \approx 0.7405, giá trị đạt được bởi cách xếp lập phương tâm mặt và bởi vô số cách xếp khác được dựng từ cùng các lớp lục giác. Thomas Hales và Samuel Ferguson chứng minh giả thuyết năm 1998 bằng phân tích trường hợp hình học kết hợp với tính toán máy tính đồ sộ, nhưng theo lời Jeffrey Lagarias, người chủ trì hội đồng phản biện, bản chất của chứng minh "khiến con người khó kiểm tra đáng tin cậy từng bước", và nó được công bố năm 2006 mà không có sự xác nhận đầy đủ.

Phản ứng của Hales, công bố năm 2003, là dự án Flyspeck (Formal Proof of the Kepler conjecture): dựng lại mọi phần của lập luận — cả phần văn bản toán học truyền thống lẫn phần được cài đặt như tính toán máy tính — bên trong hai trợ lý chứng minh HOL Light và Isabelle, để một lõi logic nhỏ, được soi xét kỹ lưỡng kiểm tra từng suy luận thay vì một người phản biện. Dự án kết thúc năm 2014 và bản tường trình chính thức được Hales cùng hai mươi mốt đồng tác giả công bố năm 2017.

Các bước còn lại của bản phác thảo chứng minh này theo đúng dàn ý của bài báo: rút gọn bài toán hình học vô hạn về hữu hạn trường hợp tổ hợp (Bước 2–3), biến phần số học của mỗi trường hợp thành các bất đẳng thức có thể được chứng thực bằng số học thuần túy (Bước 4–7), rồi ghép các mảnh đã chứng thực thành định lý hình thức cuối cùng (Bước 8).

Thuật ngữ trong bước này
cách xếp và mật độ
Một cách xếp là cách đặt các quả cầu đơn vị không chồng lấp trong không gian bằng cách chọn tâm của chúng VV; mật độ là tỉ lệ không gian trong một vùng cực lớn mà các quả cầu lấp đầy, khi vùng đó lớn dần vô hạn.
trợ lý chứng minh (chứng minh hình thức)
Một trợ lý chứng minh như HOL Light hay Isabelle là một chương trình máy tính chỉ chấp nhận một suy luận nếu nó tuân theo từ một tập rất nhỏ, cố định các tiên đề logic và quy tắc suy luận, nên một chứng minh mà nó xác thực được kiểm tra với độ tin cậy của số học chứ không phải bằng đánh giá của con người.
Kiến thức dùng ở bước này