未解决问题,几何学, 拓扑学,1911年提出
内接正方形问题(托普利茨猜想)
未解决
平面上的任意约当曲线 (即连续简单闭曲线)上都存在四个互异的点,它们恰好构成一个非退化正方形的四个顶点。
截至2026年,托普利茨内接正方形问题对于一般连续(例如分形或处处不可微的)约当曲线 依然悬而未决。对于光滑约当曲线,约书亚·埃文·格林与安德鲁·洛布(`arXiv:2005.09193`,2021年发表于 Annals of Mathematics)证明了适用于任意长宽比的更强内接矩形猜想,并随后推广至所有圆内接四边形。2024年(`arXiv:2407.07798`),格林与洛布引入约当弗洛尔同调的谱不变量,将陶哲轩关于利普希茨函数图像的内接正方形定理中的利普希茨常数界从 推进到 。一般连续曲线面临的核心障碍在于:当用光滑曲线列 逼近连续曲线时, 上内接正方形的边长在极限过程中可能退化缩减为 。
已知最佳结果
- 每条光滑()约当曲线都存在任意长宽比的内接矩形以及任意圆内接四边形(格林与洛布,2020–2021)。
- 每条无尖点的局部单调约当曲线,以及每条由两个利普希茨常数 的利普希茨函数图像围成的闭曲线,都存在内接正方形(斯特罗姆奎斯特 1989;陶哲轩 2017;格林–洛布 2024)。
使用的方法及其局限
| 方法 | 取得的结果 | 局限所在 |
|---|---|---|
| 辛几何与拉格朗日相交理论 | 将具有相同中点与长度的弦对编码为 中拉格朗日流形的交点,从而彻底解决了光滑曲线的内接矩形与圆内接四边形问题(格林–洛布,2020)。 | 需要光滑切向量(或借助弗洛尔同调处理的弱利普希茨正则性);对于粗糙的连续曲线,无法排除逼近过程中内接正方形沿曲线退化为无穷小正方形的情形。 |
| 拓扑奇偶性与配置空间不变量 | 证明了一般位置下的光滑或分段解析曲线具有奇数个内接正方形,且任意连续约当曲线都存在内接矩形(沃恩,1977)。 | 在逼近带有尖角或分形振荡的粗糙曲线时,光滑逼近曲线上的非退化正方形序列可能在极限下坍缩为单个顶点。 |
尚未解决的问题
- 不附加任何光滑性或利普希茨假设时, 中的任意连续约当曲线是否都包含一个正方形的四个顶点?
- 任意连续约当曲线是否都能内接任意长宽比的矩形,抑或分形曲线可以避开某些特定的长宽比?
参考文献
- Joshua Evan Greene, Andrew Lobb (2021). The rectangular peg problem · DOI:10.4007/annals.2021.194.2.4 · arXiv:2005.09193
- Joshua Evan Greene, Andrew Lobb (2024). Square pegs between two graphs · arXiv:2407.07798 [预印本,未经同行评审]
- Benjamin Matschke (2014). A survey on the square peg problem · DOI:10.1090/noti1100