樹圖是隻有分支沒有閉合的圖,完全圖是每個節點都兩兩相連的滿圖。


    格哈德·林格爾(gerhard ringel)想用多個相同樹圖去填充完全圖。如何讓多個簡單的小圖副本完美地重構(覆蓋)一張大圖?


    1963年,一位名叫格哈德·林格爾的德國數學家提出了一個大膽的猜想:一些特定的圖形總是可以被n個小圖副本完美覆蓋。對此,他指出:任給一棵具有 n條邊的樹 t,都能在2n+1階完全圖k2n+1中找到不重合且同構於t的2n+1個子圖(即2n+1個t副本可以被完美地填充到k2n+1中)


    解釋一下,就是首先,想象一個包含2n+1個點的完整圖形。然後思考使用n+1個點可以製作多少棵樹,事實上可以做出很多種完全不同的樹。現在,選擇其中一棵樹並將其放置,以使樹的每個邊與完整圖形中的邊重合。然後,將同一棵樹的另一個副本放在整個圖形的不同部分上。林格爾預測,假設你從正確的地方開始放置並持續這個動作,那麽你將能夠完美地複製出上麵的完整圖形。這意味著完整圖形中的每個邊都被樹的每條邊覆蓋,且樹的任何副本都不會相互重疊。


    為了證明林格爾的猜想,人們發展與利用了多種數學工具,比如:概率方法、正則引理等,但似乎總有漏洞。


    科齊格則推測,平鋪總是可以旋轉的方式完成。


    如果想探究他們的猜想,簡單的星形樹圖是或許是一個不錯的起點。


    最簡單的樹圖之一是星形:有一個中心點,其他邊從中心輻射出來。但它不同於典型的星形圖,因為邊不必在點周圍均勻排列,隻需從同一位置向外延伸,除了在中央點之外,不能在其他任何地方相交。


    確實,數學家很快觀察到,具有n+1個點的星形樹始終可以完美地複製到具有2n+1個點的完整圖形。單單這個事實就很有趣,但是如何證明卻讓數學家們犯了難。


    但是這個實驗依然有漏洞:星形圖是規則的,因此無論如何放置都無關緊要。但是大多數樹並不是,假如樹上有許多不同長度的不同分支,那麽隻有正確放置它們才能使旋轉方法起作用,且此時如何放置第一步將至關重要。


    幸運的是,數學家們最終找到了一個直觀的色彩方法。


    近日,蘇黎世瑞士聯邦技術學院的本尼·蘇達科夫(benny sudakov)、伯明翰大學的理查德·蒙哥馬利(richard montgomery)和倫敦伯克貝克大學的亞曆克斯·波克洛夫斯基(alexey pokrovskiy)三名數學家發表的相關論文或許給證明這個困惑了人們將近60年的數學猜想帶來了希望。他們通過顏色編碼找到樹的彩虹副本


    顏色編碼在生活中有很多應用,比如它可以幫助區分日常工作的緊急程度、完成情況等。事實證明,這也是找出如何放置第一顆樹的有效方法。


    如何進行顏色編碼呢?首先,想象圍繞一個圓排列的11個點的完整圖,編碼規則是根據距離(通過一條邊連接的兩個點之間的距離)進行上色。


    假設如果兩個點彼此相鄰,則它們之間的距離為1,如果兩個點中間相隔一個點,則它們之間的距離為2。


    現在根據距離為完整圖的邊上色。距離為1的所有點的邊都塗成相同的顏色,例如藍色。距離為2的點的所有邊也都標記相同的顏色,例如黃色。繼續這樣操作,以使連接點的邊距相等的距離都標記相同的顏色。


    結果證明,在具有2n+1個點的完整圖形上,你需要n種不同的顏色來執行該方案。


    給完整圖形按顏色編碼後,如何找到放置第一顆樹的方法呢?


    這個想法是將樹定位,使其覆蓋每種顏色的一個邊,且不覆蓋任何顏色兩次,數學家們將此位置稱為樹的彩虹副本。對於一個具有2n+1個點的完整圖來說,由於著色需要n種顏色,並且其彩虹副本總是具有n+1個點的樹圖,因此我們知道彩虹副本是存在的。


    至此,數學家們就可以通過證明每個具有2n+1個點的完整圖包含具有n條邊的樹的彩虹副本,來證明林格爾的猜想。如果彩虹副本始終存在,則完全覆蓋完整圖始終有效。


    如果有一個包含11(2n+1=11,則n=5)個點,且已用5種不同顏色上色的完整圖形,以及一個包含6個點、5條邊的樹圖,你的任務是在完整圖中找到樹的彩虹副本。


    隨著工作不斷進行,放置下一個樹的工作越來越難,因此你可能需要提前做好計劃。三個數學家從一開始就知道,找到彩虹副本或許不難,難得是如何放置。就好像打包過行李箱,眾所周知,我們應該從最困難、最複雜的物體開始,比如手提箱、自行車等,因為無論如何,你最後總能找到縫隙塞進一些小東西,數學家們也采納了這一哲學。


    想象一棵有11條邊的樹,其中6條邊的點集中在一起。剩下的大部分是單一的形狀,像卷須一樣。


    最難放置的部分是具有6條邊的點。因此,數學家將它與樹的其餘部分分開,然後將其首先放置。這就像你要把一張床移到樓上必須得先拆卸再進行組裝一樣。


    通過這樣做,他們確保了整個圖形中的剩餘空間是隨機的。


    這三位數學家的研究表明,一旦嵌入了樹圖最難的部分,且完整圖的剩餘空間是隨機的,那麽總有一種方法可以嵌入樹的其餘部分以獲得彩虹副本。


    除此之外,三位數學家的研究結果給類似未解決的問題提供了新思路。或許適當調整一下還可以解決更多未知猜想。

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