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解法:维亚佐夫斯卡用模形式解决8维与24维球堆积问题

第 1/9 步:陈述球堆积问题及此前已解决的维数
通俗地说

球堆积问题问的是一个从孩童时代就有的简单问题——如何排列相同的球,使其在不重叠的情况下尽可能填满空间——但这里要问的是远超我们能看见的三维的高维情形。在2016年之前,数学家只确切确定了 11、22、33 维的最优答案(最后一个正是1998年被证明的开普勒猜想);88 维与 2424 维之所以令人怀疑,是因为两种异常对称的结构—— E8E_8 格与利奇格——在那里堆球堆得好得令人难以置信,计算机得出的界也表明它们与最优值几乎分毫不差——但“几乎分毫不差”并不是证明。

Δ8=π4384≈0.2537,Δ24=π1212!≈0.00193\Delta_8 = \frac{\pi^4}{384} \approx 0.2537, \qquad \Delta_{24} = \frac{\pi^{12}}{12!} \approx 0.00193
详细分析

球堆积常数 Δd\Delta_d 是在 Rd\mathbb{R}^d 中互不重叠的单位球的所有堆积上,空间覆盖分数的上确界。人们此前仅精确知道 d=1d=1(平凡)、d=2d=2(六角堆积,Thue 与 Fejes Tóth)以及 d=3d=3(面心立方堆积,Hales 于 1998 年对 Kepler 猜想的证明——有史以来完成的最复杂的证明之一)。在更高的任何维度中,都只存在界限。

8 维和 24 维中的首要候选者早已被确定:E8E_8 根格在 R8\mathbb{R}^8 中给出密度 π4/384≈0.2537\pi^4/384\approx0.2537,而 Leech 格 Λ24\Lambda_{24} 在 R24\mathbb{R}^{24} 中给出 π12/12!≈0.00193\pi^{12}/12!\approx0.00193。Cohn 与 Elkies 2003 年的线性规划方法得出了在这些密度的约 1.0000011.000001 倍以内的数值上界——这是最优性的强有力证据,但界限不是定理。

2016 年,Viazovska 通过构造 Cohn 和 Elkies 曾猜想其存在的“魔术函数”证明了 Δ8=π4/384\Delta_8=\pi^4/384(步骤 1–5);一周之后,她与 Cohn、Kumar、Miller 和 Radchenko 将其加以改编证明了 Δ24=π12/12!\Delta_{24}=\pi^{12}/12!(步骤 6)。维度 1、2、3、8、24 仍然是仅有的已解情形——一份惊人稀疏的清单。

本步骤用到的知识