MathLabs

解法:阿佩尔–哈肯利用计算机验证可约性的放电法证明(1976年)

第 1/8 步:将地图染色归约为平面图染色,并用反证法
通俗地说

在地图的每个国家内部画一个点,每当两个国家有共同边界就用一条线连接对应的两个点;于是地图染色问题——每张地图能否只用 44 种颜色染色使相邻国家颜色不同——就变成了给这个图的点染色、使相连的两点绝不同色的问题。

为了证明没有地图需要第 55 种颜色,数学家设想相反的情形:假设确实存在某张需要 55 种颜色的地图,并在所有这类麻烦地图中挑出最小的一张。如果这个假设导致矛盾,那么这样的地图根本不可能存在——这是一种经典的证明策略,称为极小反例法。

χ(G)≤4 for every planar graph G\chi(G) \le 4 \ \text{for every planar graph } G
详细分析

将每张地图表示为平面图 GG(每个区域一个顶点,相邻区域间连边);要证明的断言变为 χ(G)≤4\chi(G) \le 4,其中 χ(G)\chi(G) 是色数,即使任意一条边都不连接两个同色顶点所需的最少颜色数。

按照阿尔弗雷德·肯普(Alfred Kempe,1879年)开创、珀西·希伍德(Percy Heawood,1890年)加以修正的策略,用反证法假设存在反例——某个需要 55 种颜色的平面图——并在所有反例中挑出一个极小反例 GG:顶点数最少、且满足 χ(G)≥5\chi(G) \ge 5 的平面图。这样 GG 的每个真子图都更小,因而都满足 χ≤4\chi \le 4。

这个极小反例正是此后每一步研究的对象。只要能证明这样的图 GG 根本不可能存在,四色定理便立即成立。

本步骤中的术语
色数 χ(G)\chi(G)
给图 GG 的顶点染色、使任意一条边都不连接两个同色顶点所需的最少颜色数。
极小反例
在所有违反某个断言定理的对象(此处为平面图)中最小的那一个;通过证明它必然还包含一个更小的反例(这是不可能的)来导出矛盾。
本步骤用到的知识