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第133章 移动沙发问题

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当一切办理妥当之后,时间依旧是属于暑假。

来到水木大学后,每天自己的好伙伴们都频繁的询问,水木食堂怎么样,首都气候如何,打算走什么方向之类的种种。

陈航也都简单回应。

随后,便是开始他的学术生涯。

首先他给自己做了个规划,这个规划的最终都是为了那个无垠深空、星辰大海的梦想而做的。

随后,他就开始决定自己本科应该解决怎样一个数学问题,他在公寓里思考着。

按照之前学过的知识看过的书籍,他也早就选择好未来需要自己亲手解决的一些数学问题和猜想,那些是与未来的计划有着很大关联的问题,以及某些解决问题的过程中有可能产生工具和算法的那些,也在他的选择中。

八月中旬的某天,坐在堆满草稿纸的书桌前,陈航正梳理着那份与星辰大海相连的数学蓝图。

外界,炎炎夏季的蝉鸣一阵阵涌来,与笔尖划过纸张的沙沙声混在一起。他的目光扫过清单上一个个熟悉的名字:纳维-斯托克斯方程、杨-米尔斯规范场存在性与质量间隙、黎曼猜想……它们巍峨如山,是通往深空理论基石不可或缺的路径。

然而此刻,一种奇特的“近处感”在牵引他,那些看似基础、却因未被彻底审视而阻碍着应用步伐的“小”问题,或许正是磨砺思维、锻造新工具的第一块砺石。

想了没多久,到了吃饭时间,陈航起身倒了杯水,然后打算出去吃饭。

刚要出门,陈航也不知什么原因,看了一眼房间内的沙发。

随后,陈航便出门吃饭。

在吃完饭回去的途中,陈航路过篮球场,虽然此时是中午,但是也有不少人在打球锻炼。

陈航看到一人投三分篮球的弧度,突然,他就想到出门前也不知道什么原因看向的沙发,然后想到那个《老友记》中难倒Ross和Racheal的、困扰了数学家60年的着名的问题——移动沙发问题。

那一瞬间,陈航仿佛有了什么想法,能够解决。

立刻!马上!回到自己的公寓,开始思考,开始书写……

事情得从1966年说起。那一年,奥地利的数学家Leo Moser在加拿大阿尔伯塔大学的一个研讨会上,半开玩笑地提出了一个问题:想象一条宽度为1的L形走廊,拐角是直角90度。你有一个刚性的二维沙发,问这个沙发最大的可能面积是多少?也就是说,你要把它从走廊的一端平移加旋转地搬到另一端,中间不能卡住,也不能穿墙,面积最大的沙发到底长什么样?

这问题听起来多接地气啊!谁没搬过家,谁没在楼梯口卡过沙发?Moser本来只是想找个有趣的例子来讲极值问题里的几何约束,结果一不小心就把数学家们给坑了。

最早的尝试很简单。有人说,那就拿个宽度1、高度1的正方形吧,面积1,顺着走廊滑过去没问题。但这也太浪费了,直角拐角处明明有大片空间没利用。有人又试了半圆形,半径1,面积π/2≈1.57,比正方形好多了,但还是能感觉到“还能再大一点”。

很快,有人想到了一个聪明的主意:一个 “带耳朵的沙发”,一个宽度为1的矩形,在一侧连接一个半圆。这个形状可以先用矩形部分滑入一条走廊,然后旋转,让半圆“扫过”拐角区域。它的面积提升到了约2.2074,这就是着名的 “哈莫斯沙发”,由数学家约翰·哈莫斯得出的结果,多年来它一直坐着冠军宝座。

然而,数学家们怀疑,也许还能做得更好。

1992年,美国数学家约瑟夫·格尔弗发动了一次“几何偷袭”。他通过复杂的数值优化,构造出一个由18段光滑曲线拼接而成的形状,格尔弗沙发。这个形状看起来就像一个有圆滑背部的奇异坐具,底部还被巧妙地“咬掉”了一小块,以便在旋转时更灵巧地避开墙角。它的面积达到了约 2.2195,微弱但确实地超越了哈莫斯沙发,并且他相信这就是最优的。至少到目前为止,还没人能做出更大的。

Gerver的工作立刻成了这个问题的“半官方答案”。数学圈子里的人提起移动沙发问题,第一反应就是“哦,Gerver的那个2.2195的沙发嘛”。但问题来了:Gerver本人也没能严格证明这是最大值,他只是给出了一个非常非常好的候选者,并且通过数值模拟和几何分析,认为再也挤不出更多面积了。

这个问题的难点到底在哪儿呢?

首先,走廊是L形的,沙发在搬运过程中既要平移又要旋转。路径有无穷多种,形状也有无穷多种。哪怕你直觉上觉得某个形状“应该能过”,也得严格证明在整个连续运动过程中,它每一瞬间都不和墙壁相交。这玩意儿可不是离散的网格游戏,而是连续的刚体运动,稍微差一点角度就卡死。

其次,最优沙发必须在拐角处完成一个非常巧妙的“转弯舞蹈”。它不能简单地平移过去,而是要在某个特定时刻开始旋转,同时一边滑一边转,让凹槽部分刚好卡在内外墙角上,利用拐角的几何特性“借力”。Gerver沙发正是靠这一连串精确到小数点后很多位的旋转和平移组合,才把面积从Hammersley的2.2074推到了2.2195。

但为什么说这个问题仍然没解决呢?因为即便是Gerver的形状,也只是一个候选者。数学家们至今无法证明不存在一个面积更大的、也许更怪异的形状,能以某种没人想到过的路径顺利通过走廊。形状的空间是无限维的,路径的空间也是无限维的。要证明某个候选者是全局最优,相当于要在无限维空间里找到一个函数的全局最大值,这难度可想而知。

Ross当年喊破喉咙Pivot!Pivot!也没想到吧,这破沙发居然能把数学家们坑六十多年。

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