趣味數(shù)學(xué)故事之徹底解決“四色問題”

1、趣味數(shù)學(xué)故事之徹底解決“四色問題”趣味數(shù)學(xué)故事之徹底解決“四色問題”地圖“四色問題”(又稱“四色猜想”)最早由英國大學(xué)生法蘭西斯古特里(Francis Guthrie )于1852年在繪制地圖時發(fā)現(xiàn)，他卻找不出科學(xué)肯定的證明就去請教他在倫敦大學(xué)讀書的哥哥費特里克古特里( Frederick Guthrie )。兄弟倆搞了好些日子還是證明不了，就由哥哥去向倫敦大學(xué)的老師、當(dāng)時非常著名的數(shù)學(xué)家奧古斯都德摩根( Augustus de morgan )請教，摩根教授當(dāng)時也證明不了，就至函他在三一學(xué)院的好友一一著名數(shù)學(xué)家威廉哈密爾頓( William Rowan Hamilton ) ，希望他能幫助證

2、明?？晒軤栴D對這個問題研究了十三年，到死也沒能給出證明。自從 1879 年至今全世界不斷有人提出證明了“四色問題”，可是都叫人難以信服，不斷又被別人否定，至今這個“四色問題”仍與“哥德巴赫猜想”及“費馬最后定律”一起被全世界公認為數(shù)學(xué)史上最著名的三大難題。本人 2019 年夏天剛接觸到“拓撲學(xué)”，試著用“拓撲學(xué)”的方法去分析“四色問題”，只化半小時左右時間就證明了“四色問題”。我寫的關(guān)于“四色問題”的證明 (以下簡稱證明，可在電腦中文搜索欄打入“四色問題”或作者姓名“焦永溢”查看) 2019 年底在許多數(shù)學(xué)網(wǎng)站上刊登出來后，看了的人很多認為非常正確；但也有一部分不明白的人認為證明了“相互間有

3、連線的點不多于四個”并不是證明了“四色問題”，他們認為四點相互間有連線只是平面圖上的局部現(xiàn)象，不能代表整個平面圖，還提出比如中間一個點周圍五個點的圖形并沒有四個點之間相互有連線卻也要四種顏色?？晌以谶@里要再強調(diào)一下：證明中三個定理概括講就是“三點必閉，四點必圍，五點必斷”，并沒有說一定要四點相互間有連線才需四色，證明“四色問題”關(guān)鍵在于“五色必斷”。 證明中分析了第五點E 落在封閉圖形ABC以內(nèi)及以外的情況，也提到了第五點若落在連線上必定會隔斷這條連線，只是沒有把隔斷的情況用圖畫出來，其實一畫出來也是與另兩種情況一樣：三點包圍一點，另一點又被小的封閉圖形所包圍。下面我再從第五點開始，接著第六點

4、、第七點、第八點直到無窮多點的情況下證明“四色永遠足夠”。為了使分析的圖形更直觀明了，可以換一個角度來看四點相互間有連線的圖形：把封閉圖形放在球面上，各點間距離均勻，拉直各條連線，圖形就成了一個正三棱錐。圖1 就是把ABC面當(dāng)?shù)?，D點當(dāng)頂點從上向下的俯視圖，若把三棱錐翻 一個面，比如將 B點當(dāng)頂點，ACD面就成了底面，所以外面 三條線其實與里面三條線是一樣的，圖形的外面實際上就是三棱錐的底面，三棱錐的底面與三個側(cè)面其實也是一樣的。這樣任何第五點只有放在三個小三角形（側(cè)面）中間及里面三條連線（棱線）上兩種情況。 當(dāng)?shù)谖妩c放在任一小三角形中間，顯而易見這點只能與周圍 的三個點有連線（如圖1 中 E

5、 點） ，并且又把小三角形分隔成三個更小的三角形，這樣只要第六點、第七點一直到 任意多點都落在三角形中間，每一點都只能與包圍它的三點 有連線，所以無論有多少個點“四色足夠”。當(dāng)?shù)谖妩c放在中間任一連線（包括以上更小更更小的連線）上時（如圖2中E點所示），E點成了三角形 ABD與三角形 AC必共邊AD中間的點，這樣實際上形成了 ABD匝ACDEW 個四邊形，而最大平面圖中是不存在多邊形的。若E 點與 B點有連線，A點與D點從右邊仍有連線，那么 E點又變成了 三角形ABD中間的點；若 E點與C點有連線，A點與D點從 左邊有連線，那么 E點又變成了三角形 ACD中間的點；若E 點與B點及C點都有連線，

6、那么 A點與D點的連線必被E點 隔斷，這就是證明中的“五點必斷”，再看看這時整個 圖變成了 E點被三角形ABC所包圍取代了 D點原來的地位， 而D點反過來被三角形 EBC所包圍。接下來第六點、第七 點一直到任何多點都可落在任何一條公共邊上，最后都 會變成與上面的幾種情況一樣，形成大三角形里面包含小三角形，小三角形包含更小三角形這樣可以一級級的無限 延續(xù)下去。所以最后可以肯定地說“任何復(fù)雜的平面圖都是由大小不等的三點包圍一點圖所組成，所以也就只要有四種顏色就足夠能使有連線的點顏色不同。這樣簡單的證明其實摩根教授在1860 年就已經(jīng)提出來，但馬上又被他自己所否定，他主要是把中間一點周圍五點的圖看成是最大平面圖，沒有把五棱錐底面的五邊形進行分割，所以也就看不到所有點都可變成被三點包圍，這一疏略把這么簡單的“四色問題”變成了千古難題，一百五十多年來肯定有許多人其實證明了“四色問題”，但都被摩根的這個否定給否定掉了。否定我的證明的人其實也是與摩根教授一樣的想法。在這里我還要肯定地說：以前有人用“窮舉法”借助電子計算機所謂的證明肯