Μαθηματικός έλυσε το «πρόβλημα της μετακίνησης του καναπέ» από τα «Φιλαράκια»

 

Από την κλασική σκηνή της μετακίνησης του καναπέ στη σειρά "Φιλαράκια", με τον Ρος να φωνάζει "Pivot!"
(Warner Bros. Television)

Το «πρόβλημα της μετακίνησης του καναπέ» (Moving Sofa Problem) είναι ένα κλασικό ανοιχτό πρόβλημα της γεωμετρίας, που διατυπώθηκε το 1966 από τον Leo Moser.

Η διατύπωση του προβλήματος:

Φανταζόμαστε έναν καναπέ (ένα επίπεδο σχήμα στο επίπεδο) που πρέπει να μετακινηθεί:

• μέσα από έναν διάδρομο σχήματος Γ με σταθερό πλάτος 1,
• χωρίς να ανασηκωθεί, να παραμορφωθεί ή να περάσει μέσα από τους τοίχους (επιτρέπεται μόνο μεταφορά και περιστροφή στο επίπεδο).

 

Το ερώτημα είναι:

Ποιο είναι το μέγιστο δυνατό εμβαδόν ενός καναπέ που μπορεί να μετακινηθεί επιτυχώς μέσα από έναν τέτοιο διάδρομο;

Εκτός από τη μαθηματική κοινότητα, το πρόβλημα αυτό έχει βρει θέση και στην ποπ κουλτούρα, χάρη στην γνωστή σκηνή από την κωμική σειρά «Τα φιλαράκια», όπου ο Ρος, η Ρέιτσελ και ο Τσάντλερ πασχίζουν να μεταφέρουν έναν καναπέ από τις σκάλες της πολυκατοικίας τους.

Λύνοντας το πρόβλημα...

Ο 31χρονος μαθηματικός δρ. Baek Jineon, ερευνητής στο Κορεατικό Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών, έδωσε τα τέλη του 2024 οριστική λύση στο πρόβλημα, δημοσιεύοντας μία εργασία 119 σελίδων στη βάση arXiv και κερδίζοντας παγκόσμια αναγνώριση για μια απόδειξη που επιτεύχθηκε χωρίς τη χρήση υπολογιστών. Πώς ξεκίνησαν όμως οι προσπάθειες επίλυσης του Moving Sofa Problem?

 

Ο «καναπές του Gerver»

Το 1992, ο μαθηματικός Joseph Gerver πρότεινε ένα καμπυλόγραμμο σχήμα, γνωστό ως «καναπές του Gerver», με εμβαδόν περίπου 2.2195 τετραγωνικών μονάδων, ως πιθανή λύση. Ωστόσο, μέχρι πρότινος, κανείς δεν είχε καταφέρει να αποδείξει ότι δεν μπορούσε να υπάρχει κάποιο άλλο σχήμα με μεγαλύτερο εμβαδόν.

Ο "καναπές του Gerver"

Σχετικά πρόσφατα, λοιπόν, και έπειτα από επτά χρόνια συστηματικής εργασίας, ο δρ. Baek απέδειξε ότι ο σχεδιασμός του Gerver είναι πράγματι ο βέλτιστος. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι «δεν μπορεί να υπάρξει καναπές μεγαλύτερος από τον καναπέ του Gerver». Σε αντίθεση με πολλές προηγούμενες προσπάθειες, η δουλειά του βασίστηκε αποκλειστικά στη λογική μαθηματική συλλογιστική και όχι σε εκτεταμένες υπολογιστικές προσομοιώσεις.

 

Η έρευνα συμπεριλήφθηκε από το περιοδικό Scientific American στις «10 κορυφαίες μαθηματικές ανακαλύψεις του 2025».

Το περιοδικό σημείωσε ότι «ενώ πολλοί ερευνητές είχαν στηριχθεί σε μεγάλης κλίμακας προσομοιώσεις υπολογιστών για να προσεγγίσουν το μέγιστο μέγεθος του καναπέ, προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η τελική λύση του Baek Jin Eon δεν εξαρτάται καθόλου από υπολογιστές».

Ο Κορεάτης μαθηματικός δρ. Baek Jineon
(Photo Courtesy of KIAS)

Ο δρ. Baek ξεκίνησε να ασχολείται με το "πρόβλημα μετακίνησης του καναπέ" κατά τη διάρκεια της στρατιωτικής του θητείας και συνέχισε τόσο στις διδακτορικές του σπουδές στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, όσο και αργότερα ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στη Νότια Κορέα. Σήμερα συνεχίζει να εργάζεται πάνω σε προβλήματα βελτιστοποίησης και προκλήσεις της συνδυαστικής γεωμετρίας. Παρόλο που ακόμη δεν έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία peer review και δεν έχει γίνει επίσημη δημοσίευση σε επιστημονικό περιοδικό, πολλοί μαθηματικοί εκφράζουν ήδη υψηλή εμπιστοσύνη στην ορθότητα του αποτελέσματος…

Τα 7 Προβλήματα της Χιλιετίας!

 

Πέρασαν ήδη 25 χρόνια από τότε που, το 2000, το Ινστιτούτο Clay παρουσίασε τα περίφημα 7 Προβλήματα της Χιλιετίας: επτά μαθηματικά προβλήματα τόσο βαθιά και δύσκολα, ώστε η λύση καθενός συνοδεύεται από έπαθλο 1 εκατομμυρίου δολαρίων.

Στο διάστημα αυτό, γράφτηκε μια μικρή αλλά σημαντική σελίδα στην Ιστορία των Μαθηματικών. Το 2003, ο Ρώσος μαθηματικός Grigori Perelman έδωσε την απόδειξη της Εικασίας του Poincaré, του μοναδικού μέχρι σήμερα προβλήματος της λίστας που έχει λυθεί, αρνούμενος μάλιστα τόσο το χρηματικό έπαθλο όσο και το Μετάλλιο Fields.

Τα υπόλοιπα έξι προβλήματα εξακολουθούν να παραμένουν ανοιχτά εδώ και πάνω από έναν αιώνα. Παρά τις τεράστιες προόδους των τελευταίων δεκαετιών, τις νέες μαθηματικές θεωρίες, την εκρηκτική ανάπτυξη των υπολογιστών και, πιο πρόσφατα, την αξιοποίηση της τεχνητής νοημοσύνης στην έρευνα, κανένα δεν έχει βρει ακόμη οριστική λύση.

Και ίσως αυτό είναι το πιο συναρπαστικό στοιχείο. Τα Προβλήματα της Χιλιετίας δεν αποτελούν απλώς επτά άλυτους γρίφους. Είναι επτά πύλες προς άγνωστες περιοχές των μαθηματικών, που εδώ και δεκαετίες εμπνέουν τους σπουδαιότερους μαθηματικούς του κόσμου και οδηγούν σε νέες ιδέες, ακόμη κι όταν η τελική απάντηση παραμένει άπιαστη.

Ας γνωρίσουμε λοιπόν ένα προς ένα τα Επτά Προβλήματα της Χιλιετίας!

1️⃣ Εικασία του Poincaré: Ποια είναι η μορφή του τρισδιάστατου χώρου;

Η Εικασία του Poincaré, που διατυπώθηκε το 1904 από τον Γάλλο μαθηματικό Henri Poincaré, θεωρήθηκε για περισσότερο από έναν αιώνα ένα από τα σημαντικότερα άλυτα προβλήματα της Τοπολογίας. Η Τοπολογία είναι ο κλάδος των μαθηματικών που μελετά τα σχήματα όχι ως προς τα μήκη και τις γωνίες τους, αλλά ως προς τις ιδιότητες που παραμένουν αναλλοίωτες όταν τα παραμορφώνουμε χωρίς να τα σκίσουμε ή να τα κολλήσουμε. Ένα από τα βασικά ερωτήματα της τοπολογίας είναι πότε δύο χώροι θεωρούνται ουσιαστικά ίδιοι. Για παράδειγμα, μια σφαίρα μπορεί να παραμορφωθεί σε οποιοδήποτε λείο, κλειστό σχήμα χωρίς τρύπες, αλλά ποτέ σε έναν δακτύλιο, αφού αυτός διαθέτει μια θεμελιώδη «τρύπα».

Φανταστείτε τώρα ότι τεντώνουμε ένα λαστιχάκι γύρω από την επιφάνεια ενός μήλου. Μπορούμε να το μετακινούμε συνεχώς πάνω στην επιφάνεια, χωρίς να το κόψουμε και χωρίς να το αφήσουμε να ξεκολλήσει από αυτήν, μέχρι να συρρικνωθεί τελικά σε ένα και μόνο σημείο. Αν όμως κάνουμε το ίδιο πάνω στην επιφάνεια ενός ντόνατ (ή ενός σωσίβιου), το αποτέλεσμα είναι εντελώς διαφορετικό. Αν το λαστιχάκι αγκαλιάζει την κεντρική τρύπα, δεν υπάρχει τρόπος να συρρικνωθεί σε σημείο χωρίς να κοπεί το ίδιο ή να τρυπηθεί το ντόνατ. Οι μαθηματικοί λένε ότι η επιφάνεια της σφαίρας είναι απλά συνεκτική, ενώ η επιφάνεια του τόρου δεν είναι.

Ο Henri Poincaré γνώριζε ότι αυτή η ιδιότητα χαρακτηρίζει πλήρως τη δισδιάστατη σφαίρα. Το 1904 διατύπωσε το φυσικό επόμενο ερώτημα: ισχύει άραγε το ίδιο και για την τρισδιάστατη σφαίρα; Δηλαδή, αν ένας κλειστός τρισδιάστατος χώρος είναι απλά συνεκτικός, είναι κατ' ανάγκη τοπολογικά ισοδύναμος με την τρισδιάστατη σφαίρα; Η εικασία του Poincaré, λοιπόν, υποστηρίζει ότι κάθε κλειστός, τρισδιάστατος χώρος χωρίς «τρύπες», στον οποίο κάθε κλειστή καμπύλη μπορεί να συρρικνωθεί συνεχώς σε ένα σημείο, είναι τοπολογικά ισοδύναμος με την τρισδιάστατη σφαίρα (\(S^3\), 3-σφαίρα). Αν και η διατύπωσή της είναι σχετικά απλή, η απόδειξή της αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη, επειδή οι τρισδιάστατοι χώροι είναι πολύ πιο περίπλοκοι από τις επιφάνειες που μπορούμε να οπτικοποιήσουμε.

Η καθοριστική πρόοδος έγινε τη δεκαετία του 1980 από τον Αμερικανό μαθηματικό Richard Hamilton, ο οποίος εισήγαγε τη ροή Ricci (Ricci flow). Η ιδέα της είναι να αντιμετωπίσει κανείς τη γεωμετρία ενός χώρου σαν να «ρέει» με τον χρόνο, εξομαλύνοντας σταδιακά τις ανωμαλίες του, όπως η θερμότητα εξισορροπεί τις διαφορές θερμοκρασίας πάνω σε ένα σώμα. Το μεγάλο εμπόδιο ήταν ότι κατά τη διάρκεια αυτής της ροής εμφανίζονταν ιδιομορφίες, όπου η μέθοδος κατέρρεε. Το 2002 και το 2003, ο Ρώσος μαθηματικός Grigori Perelman κατάφερε να αναλύσει αυτές τις ιδιομορφίες, να δείξει πώς μπορούν να αντιμετωπιστούν και να ολοκληρώσει το πρόγραμμα που είχε ξεκινήσει ο Hamilton. Έτσι απέδειξε την Εικασία του Poincaré, λύνοντας το μοναδικό μέχρι σήμερα από τα επτά Προβλήματα της Χιλιετίας. Η απόδειξή του επιβεβαιώθηκε από τη μαθηματική κοινότητα λίγα χρόνια αργότερα, ενώ ο ίδιος αρνήθηκε τόσο το Μετάλλιο Fields όσο και το χρηματικό έπαθλο του ενός εκατομμυρίου δολαρίων που είχε θεσπίσει το Ινστιτούτο Clay.

Ο Grigori Perelman

2️⃣ Υπόθεση του Riemann: Υπάρχει συστηματικότητα στην κατανομή των πρώτων αριθμών (παραμένει άλυτη από το 1859)

Η ακολουθία των πρώτων αριθμών αρχίζει με τους 2, 3, 5, 7, 11, 13... Όσο προχωράει κανείς στην ακολουθία, η συχνότητα τους μειώνεται, αλλά η κατανομή τους δεν παύει να παρουσιάζει μια συστηματοποίηση, που είναι γνωστή εδώ και αιώνες. Υπάρχουν, ωστόσο, μικρές παρεκκλίσεις, και το 1859 ο Bernard Riemann υπέθεσε ότι θα μπορούσε να τις περιγράψει επακριβώς, αν κατάφερνε να αποδείξει την ύπαρξη μιας ξεχωριστής ιδιότητας για τις τιμές που μηδενίζουν μια συγκεκριμένη συνάρτηση. Πιο συγκεκριμένα, μια μιγαδική συνάρτηση που λέγεται συνάρτηση ζήτα τουRiemann, ζ(s), ορίζεται για όλους τους μιγαδικούς αριθμούς που είναι διάφοροι του 1. Η συνάρτηση αυτή μηδενίζεται για όλους τους άρτιους αρνητικούς αριθμούς. Δηλαδή για s=-2, s=-4, s=-6 κλπ. Οι τιμές αυτές μηδενισμού είναι οι τετριμμένες της λύσεις. H υπόθεση του Riemann αφορά τις μη τετριμμένες λύσεις και ισχυρίζεται ότι το πραγματικό μέρος όλων των μη τετριμμένων λύσεων που μηδενίζουν τη συνάρτηση ζήτα είναι το \(\frac{1}{2}\).  Η υπόθεση έχει επαληθευτεί για τις πρώτες 1.500.000.001 λύσεις, αλλά εξακολουθεί να λείπει η τελική απόδειξη.

 

Η Υπόθεση του Riemann έχει γίνει ακόμη και... αντικείμενο χιούμορ! 

3️⃣ Εικασία του Hodge: Μπορούν τα σχήματα να εξηγηθούν γεωμετρικά; (παραμένει άλυτη από τη δεκαετία του 1930)

Τον 20^ο αιώνα οι μαθηματικοί ανακάλυψαν κάποιους δυναμικούς τρόπους για να ερευνήσουν τα σχήματα που είχαν κάποια πολύπλοκα αντικείμενα. Για παράδειγμα, στην τεχνολογία τρισδιάστατων γραφικών χρησιμοποιούνται απλά γεωμετρικά δομικά στοιχεία (κύκλοι, τρίγωνα και τετράγωνα) για να δημιουργηθούν πολύπλοκες γραφικές παραστάσεις. Η βασική ιδέα που είχε τη δεκαετία του 1930 (πολύ πριν εμφανιστούν τα ηλεκτρονικά παιχνίδια) ο Σκωτσέζος μαθηματικός William Hodge, ήταν να αναρωτηθεί μέχρι ποιο σημείο μπορούμε να προσεγγίσουμε το σχήμα ενός δεδομένου αντικειμένου, συγκολλώντας απλά γεωμετρικά δομικά στοιχεία με όλο και μεγαλύτερο μέγεθος. Το ερώτημα, μάλιστα, αυτό τέθηκε όχι μόνο για τον τρισδιάστατο κόσμο, αλλά και για περισσότερες διαστάσεις. Η τεχνική αυτή της συγκόλλησης (ομολογία-homology) αποδείχτηκε μεγάλης χρησιμότητας, ώστε να γενικευτεί κατά πολλούς τρόπους και να μας δώσει προοδευτικά ισχυρά εργαλεία με τα οποία οι μαθηματικοί πέτυχαν την ταξινόμηση των διαφόρων σχημάτων που συναντούσαν κατά τις έρευνές τους. Ατυχώς, οι γεωμετρικές καταβολές αυτής της διαδικασίας έγιναν τελείως δυσδιάκριτες καθώς εξελισσόταν η γενίκευση αυτή. Κατά κάποια έννοια, χρειαζόταν να προσθέσουμε κομμάτια που δεν είχαν καμιά γεωμετρική σημασία. Η διαδικασία αυτή οδήγησε τους μαθηματικούς στην ανάπτυξη ολοένα και πιο αφηρημένων εργαλείων για την ταξινόμηση των σχημάτων. Με τον καιρό, όμως, η άμεση γεωμετρική ερμηνεία αυτών των εργαλείων άρχισε να χάνεται. Έτσι γεννήθηκε το ερώτημα: μήπως πίσω από αυτές τις αφηρημένες μαθηματικές περιγραφές κρύβονται πάντοτε πραγματικά γεωμετρικά αντικείμενα;

Η Εικασία του Hodge αφορά μια ιδιαίτερα σημαντική κατηγορία χώρων της αλγεβρικής γεωμετρίας, τις μιγαδικές προβολικές αλγεβρικές ποικιλίες. (συνομολογία-cohomology). Σε αυτούς τους χώρους οι μαθηματικοί μπορούν να μελετήσουν το σχήμα τους μέσω ορισμένων αφηρημένων αντικειμένων, που ονομάζονται κλάσεις Hodge. Το μεγάλο ερώτημα είναι αν όλες αυτές οι κλάσεις έχουν πραγματική γεωμετρική προέλευση, δηλαδή αν μπορούν να εκφραστούν ως ρητοί γραμμικοί συνδυασμοί αλγεβρικών κύκλων, οι οποίοι είναι γνήσια γεωμετρικά υποσύνολα του χώρου. Αν αυτό ισχύει, τότε κάθε αφηρημένη πληροφορία που περιγράφει η θεωρία θα αντιστοιχεί σε ένα πραγματικό γεωμετρικό αντικείμενο.

4️⃣ P versus NP: Κάθε πρόβλημα που ελέγχεται εύκολα, είναι και εύκολο να λυθεί; (παραμένει άλυτο από το 1971)

Υποθέστε ότι πρέπει να κάνετε μια λίστα για το πώς θα καθίσουν οι καλεσμένοι σε ένα μεγάλο εορταστικό δείπνο. Έχετε 400 άτομα στον κατάλογο σας, αλλά πρέπει να επιλέξετε μόνο 100 από αυτούς, καθώς δεν υπάρχει χώρος για περισσότερους. Επίσης, έχετε άλλη μια λίστα από ζεύγη αυτών των ανθρώπων, κι έτσι κανένα από αυτά τα ζευγάρια δεν πρέπει να εμφανιστεί στον τελικό κατάλογο των καλεσμένων που θα καθίσουν στο τραπέζι.

Το πρόβλημα αυτό είναι ένα παράδειγμα από αυτά που η πληροφορική αποκαλεί ΝΡ προβλήματα. Είναι εύκολο να ελέγξουμε αν μια συγκεκριμένη λίστα 100 ατόμων από τους 400 ικανοποιεί το κριτήριό μας να μην υπάρχουν ασύμβατα μεταξύ τους ζευγάρια στο τραπέζι. Το να δημιουργήσουμε όμως εμείς μια τέτοια λίστα από τους 400 είναι τόσο δύσκολο που μοιάζει να μην  είναι πρακτικά δυνατόν. Μάλιστα, ο αριθμός των εναλλακτικών τρόπων που μπορούμε να πάρουμε 100 καλεσμένους από τους 400 είναι μεγαλύτερος από το σύνολο των ατόμων που υπάρχουν στο σύμπαν, γι’ αυτό και το πρόβλημα δε θα μπορούσε να λυθεί ούτε καν με τη βοήθεια του ισχυρότερου υπερυπολογιστή στον κόσμο.

Μπορεί, όμως, η δυσκολία αυτή να δείχνει απλά ότι προσεγγίζουμε προγραμματιστικά το πρόβλημα με λάθος μέθοδο. Υπάρχει, άραγε, ένας έξυπνος τρόπος να λυθεί το πρόβλημα; Το πρόβλημα αυτού του τύπου, «Ρ versus ΝΡ» όπως λέγεται, εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1970.  Οι Stephen Cook και Leonid Levin, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, διατύπωσαν κατά το 1971 αυτό το πρόβλημα, όπου το Ρ σημαίνει εύκολο να βρεθεί λύση και το ΝΡ σημαίνει εύκολο να ελεγχθεί. Γενικά, έχει να κάνει με το αν όντως υπάρχουν προβλήματα τα οποία είναι εύκολο να ελεγχθούν αλλά πρακτικά αδύνατο να λυθούν με άμεσες αλγοριθμικές διαδικασίες.

Για περισσότερο από πενήντα χρόνια, κανείς δεν έχει καταφέρει να αποδείξει αν οι δύο κλάσεις προβλημάτων P και NP είναι ίδιες ή διαφορετικές. Με άλλα λόγια, δεν γνωρίζουμε αν κάθε πρόβλημα του οποίου η λύση μπορεί να επαληθευτεί γρήγορα, μπορεί και να λυθεί εξίσου γρήγορα από έναν κατάλληλο αλγόριθμο.

Το ερώτημα αυτό δεν είναι απλώς θεωρητικό. Πολλά σύγχρονα συστήματα κρυπτογράφησης βασίζονται ακριβώς στην υπόθεση ότι ορισμένα μαθηματικά προβλήματα είναι εξαιρετικά δύσκολο να λυθούν, παρότι είναι εύκολο να ελέγξει κανείς αν μια προτεινόμενη λύση είναι σωστή. Αν αποδεικνυόταν ότι P = NP, τότε θα μπορούσαν να υπάρξουν αποδοτικοί αλγόριθμοι για προβλήματα που σήμερα θεωρούνται πρακτικά άλυτα, με τεράστιες συνέπειες στην κρυπτογραφία, την ασφάλεια των υπολογιστών, τη βελτιστοποίηση, την τεχνητή νοημοσύνη και πολλούς ακόμη τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας. Αντίθετα, αν αποδειχθεί ότι P ≠ NP, θα γνωρίζουμε οριστικά ότι υπάρχουν προβλήματα για τα οποία η εύρεση λύσης είναι εγγενώς πολύ δυσκολότερη από την επαλήθευσή της.

 

5️⃣ Εικασία των Birch και Swinnerton-Dyer: Πόσες ακέραιες λύσεις έχει π.χ. η εξίσωση y² = x² - x + 1; (Παραμένει άλυτη από το 1970)

Οι μαθηματικοί γοητεύονταν πάντα από την εύρεση όλων των λύσεων στο σύνολο των ακεραίων αριθμών, εξισώσεων όπως η παρακάτω  x² + y² = z²,   όπου οι x, y και z είναι ακέραιοι αριθμοί. Μια λύση είναι η τριάδα (x,y,z)=(3,4,5), αφού 3² + 4² = 5². Εδώ και πάνω από 2.000 χρόνια, ο Ευκλείδης βρήκε ένα γενικό τύπο που δίνει όλες τις πιθανές λύσεις (είναι άπειρες), αλλά σε πιο περίπλοκες εξισώσεις η εύρεση όλων των λύσεων είναι πράγμα εξαιρετικά δύσκολο. Στα 1970, ο Yuri V.Matiyasevich έδειξε ότι το 10^ο πρόβλημα του Hilbert είναι αδύνατο. Δηλαδή έδειξε ότι δεν υπάρχει γενική μέθοδος που να μας δείχνει πότε οι εξισώσεις αυτές έχουν λύση στο σύνολο των ακεραίων αριθμών.

Ωστόσο, είναι σημαντικό να μπορεί κανείς να εκτιμήσει αν υπάρχει ένας πεπερασμένος ή άπειρος αριθμός λύσεων με ακέραιους αριθμούς για μια δεδομένη εξίσωση. Ας πάρουμε για παράδειγμα τις λεγόμενες ελλειπτικές καμπύλες. Βασικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι πρόκειται για αλγεβρικές εξισώσεις σαν την παρακάτω  y² = x³ + αx + β, που ορίζουν επιφάνειες στο χώρο με μορφή σαμπρέλας.

Κάθε ελλειπτική καμπύλη είναι στην ουσία μια αβελιανή ομάδα και τα σημεία πάνω σ’ αυτήν με συντεταγμένες ρητούς αριθμούς σχηματίζουν μια υποομάδα. Πότε υπάρχουν άπειρα τέτοια ρητά σημεία; Στα 1965 οι Birch και Swinnerton-Dyer ισχυρίστηκαν ότι υπάρχει ένα κριτήριο που περιλαμβάνει ένα μαθηματικό αντικείμενο που λέγεται L-συνάρτηση της ελλειπτικής καμπύλης.  Η εικασία των  Birch-Swinnerton-Dyer λέει ότι L(1) = 0 αν και μόνο αν η ελλειπτική καμπύλη έχει άπειρα ρητά σημεία. Αν δηλαδή L(1) = 0 τότε υπάρχουν άπειρα ρητά σημεία επί της καμπύλης ή με άλλα λόγια άπειρες λύσεις της παραπάνω εξίσωσης. Ενώ, αντίστροφα, αν L(1) δεν ισούται με μηδέν τότε υπάρχει μόνο πεπερασμένος αριθμός ρητών λύσεων της εξίσωσης.

Αν μπορούσε να αποδειχτεί αυτή η εικασία, θα έριχνε πολύ φως και στη λύση των Διοφαντικών εξισώσεων, μία από τις οποίες ανάγεται στον 10^ο αιώνα μ.Χ. και στην οποία ζητείται να βρεθούν ποιοι ακέραιοι αριθμοί μπορούν να εμφανιστούν ως εμβαδά ορθογωνίων τριγώνων, των οποίων οι πλευρές έχουν ως μήκη ρητούς αριθμούς.

 

6️⃣ Το χάσμα μάζας στη θεωρία Yang-Mills: Γιατί τα σωματίδια έχουν μάζα; (Παραμένει μαθηματικά αναπόδεικτο από το 1954)

Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής παίζουν για τον μικρόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων έναν ρόλο αντίστοιχο με αυτόν που έχουν οι νόμοι του Νεύτωνα για τον μακροσκοπικό κόσμο. Το 1954, οι φυσικοί Chen Ning Yang και Robert Mills ανέπτυξαν μια νέα μαθηματική θεωρία για την περιγραφή των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων της φύσης, αξιοποιώντας έννοιες που προέρχονται από τη γεωμετρία και τη θεωρία συμμετρίας.

Σήμερα, η θεωρία Yang–Mills αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Χάρη σε αυτήν περιγράφονται με εξαιρετική ακρίβεια οι ισχυρές, οι ασθενείς και οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, ενώ οι προβλέψεις της έχουν επιβεβαιωθεί επανειλημμένα σε πειράματα υψηλής ακρίβειας. Παρά τη θεαματική αυτή επιτυχία, λείπει ακόμη μια αυστηρή μαθηματική απόδειξη ότι η θεωρία είναι πλήρως συνεπής.

Το Πρόβλημα της Χιλιετίας αφορά τη λεγόμενη ύπαρξη χάσματος μάζας (mass gap). Με απλά λόγια, η θεωρία προβλέπει ότι ακόμη και αν τα θεμελιώδη πεδία ξεκινούν χωρίς μάζα, τα σωματίδια που παρατηρούμε πρέπει να εμφανίζουν μια ελάχιστη, αυστηρά θετική μάζα. Δεν μπορούν δηλαδή να έχουν οποιαδήποτε απειροελάχιστη ενέργεια. Η ιδιότητα αυτή είναι απαραίτητη για να εξηγηθεί η συμπεριφορά των ισχυρών πυρηνικών αλληλεπιδράσεων και συμφωνεί με όλα τα πειραματικά δεδομένα. Ωστόσο, μέχρι σήμερα κανείς δεν έχει καταφέρει να αποδείξει μαθηματικά ότι οι εξισώσεις της θεωρίας Yang–Mills πράγματι οδηγούν αναγκαστικά στην ύπαρξη αυτού του χάσματος μάζας. Η αυστηρή απόδειξη αυτής της ιδιότητας εκκρεμεί ακόμη.

 

7️⃣ Εξισώσεις Navier-Stokes: Μπορούν να περιγραφούν πλήρως τα ρευστά; (παραμένει άλυτη εδώ και 150 χρόνια)

Οι εξισώσεις Navier-Stokes είναι ένα σύνολο εξισώσεων οι οποίες περιγράφουν την κίνηση των ρευστών όπως είναι τα υγρά και τα αέρια. Οι εξισώσεις αυτές μας λένε πως οι μεταβολές στην ορμή ενός απειροστού όγκου του ρευστού είναι απλά το αθροιστικό αποτέλεσμα των δυνάμεων ιξώδους του ρευστού, των μεταβολών της πίεσης, της βαρύτητας και των άλλων δυνάμεων που δρουν εντός του ρευστού. Πρόκειται στην ουσία για εφαρμογή του 2^ου νόμου του Νεύτωνα στα ρευστά. Αφορούν, δηλαδή, τη δυναμική της αλληλεπίδρασης της αδράνειας του ρευστού με τις διάφορες δυνάμεις που δρουν σε μια περιοχή του ρευστού.
Είναι από τα πιο χρήσιμα σύνολα εξισώσεων γιατί εφαρμόζονται σε μοντέλα καιρού, μοντέλα ωκεάνιων ρευμάτων, ροή ρευστών σε σωλήνες, ροή αέρα γύρω από πτέρυγες αεροπλάνων και ανεμογεννητριών, κίνηση άστρων μέσα στο γαλαξία κ.ο.κ.  Σε συνδυασμό, εξάλλου, με τις εξισώσεις Maxwell μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουμε εξομοιώσεις και να μελετήσουμε μοντέλα μαγνητοϋδροδυναμικής.

Οι εξισώσεις Navier-Stokes είναι διαφορικές εξισώσεις. Σε αντίθεση δηλαδή με τις αλγεβρικές εξισώσεις, δεν μας δείχνουν εκπεφρασμένα μια σχέση μεταξύ των μεγεθών που μας ενδιαφέρουν (π.χ. μεταξύ ταχύτητας και πίεσης) αλλά περιγράφουν σχέσεις μεταξύ των ρυθμών μεταβολής ή μεταξύ των ροών των διαφόρων μεγεθών. Με όρους μαθηματικούς, λέμε ότι οι εξισώσεις αυτές περιέχουν σχέσεις μεταξύ των παραγώγων των διαφόρων μεγεθών. Για παράδειγμα, οι εξισώσεις Navier-Stokes για την πιο απλή περίπτωση ενός ιδανικού ρευστού (χωρίς ιξώδες) μας λέει ότι η επιτάχυνση, δηλαδή η παράγωγος της ταχύτητας, είναι ανάλογη με τη βαθμίδα (δηλ. την παράγωγο ως προς τις 3 χωρικές συντεταγμένες) της εσωτερικής πίεσης του ρευστού.

Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι μόνο οι πιο απλές περιπτώσεις αυτών των εξισώσεων μπορούν να λυθούν μέσα στα πλαίσια του διαφορικού και ολοκληρωτικού λογισμού και να μας οδηγήσουν σε ακριβείς λύσεις. Οι περιπτώσεις αυτές γενικά περιλαμβάνουν μόνο ροή χωρίς στροβίλους σε μόνιμες καταστάσεις. Δηλαδή καταστάσεις που δεν αλλάζουν με τον χρόνο. Στις καταστάσεις αυτές είτε το ιξώδες του ρευστού είναι πολύ μεγάλο, είτε η ταχύτητα ροής πολύ μικρή.

Για πιο περίπλοκες καταστάσεις, όπως είναι τα παγκόσμια συστήματα καιρού σαν το φαινόμενο El Niño, οι λύσεις των εξισώσεων Navier-Stokes πρέπει να βρεθούν με τη βοήθεια υπολογιστών. Πράγματι, έχει αναπτυχθεί μια ποικιλία υπολογιστικών προγραμμάτων που χρησιμοποιούν αριθμητικές μεθόδους για τη λύση των εξισώσεων Navier-Stokes.  Η προσέγγιση αυτή της αντιμετώπισης του ζητήματος είναι γνωστή ως Υπολογιστική Δυναμική των Ρευστών (CFD). Αν και θεωρητικά η CFD δουλεύει σε κάθε περίπτωση ροής, πολλές συνηθισμένες περιπτώσεις ροής όπως είναι η ροή γύρω από μια πτέρυγα αεροπλάνου, περιέχει τόσο πολλές λεπτομέρειες που κανένα πρόγραμμα υπολογιστή δεν μπορεί να λύσει το πρόβλημα σε λογικό χρονικό διάστημα.

Παρότι οι εξισώσεις Navier–Stokes χρησιμοποιούνται καθημερινά στη μηχανική, τη μετεωρολογία, την αεροναυπηγική και την αστροφυσική, το θεμελιώδες μαθηματικό ερώτημα παραμένει αναπάντητο: αν ξεκινήσουμε από ομαλές αρχικές συνθήκες, οι λύσεις των τρισδιάστατων εξισώσεων θα παραμείνουν πάντοτε ομαλές ή μπορεί κάποια στιγμή να εμφανίσουν μια ιδιομορφία (singularity), όπου ορισμένα φυσικά μεγέθη γίνονται άπειρα;

Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν σημειωθεί σημαντικές πρόοδοι. Έχουν αποδειχθεί αποτελέσματα για ειδικές περιπτώσεις, έχουν αναπτυχθεί νέα θεωρητικά εργαλεία και έχουν αποκλειστεί πολλά πιθανά σενάρια εμφάνισης ιδιομορφιών. Ιδιαίτερα σημαντική υπήρξε η συμβολή του Louis Nirenberg, ο οποίος μαζί με τους LuisCaffarelli και Robert Kohn απέδειξε το 1982 ότι, ακόμη και αν υπάρχουν ιδιομορφίες, αυτές είναι εξαιρετικά περιορισμένες και δεν μπορούν να εμφανίζονται αυθαίρετα στον χώρο και στον χρόνο. Η εργασία αυτή θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματα στη θεωρία των εξισώσεων Navier–Stokes και συνέβαλε καθοριστικά στη βράβευση του Nirenberg με το Βραβείο Abel το 2015.

Παρά τις συνεχείς εξελίξεις, το βασικό ερώτημα εξακολουθεί να παραμένει ανοιχτό. Μέχρι σήμερα, κανείς δεν έχει αποδείξει αν οι λύσεις των τρισδιάστατων εξισώσεων Navier–Stokes παραμένουν πάντοτε ομαλές ή αν είναι δυνατόν να εμφανίσουν ιδιομορφίες σε πεπερασμένο χρόνο. Η επίλυση αυτού του προβλήματος εξακολουθεί να αποτελεί ένα από τα έξι εναπομείναντα Προβλήματα της Χιλιετίας και συνοδεύεται από το έπαθλο του ενός εκατομμυρίου δολαρίων του Ινστιτούτου Clay.

Εδώ και περισσότερες από δύο δεκαετίες, τα Προβλήματα της Χιλιετίας εξακολουθούν να προκαλούν τους κορυφαίους μαθηματικούς του κόσμου. Αν και η Εικασία του Poincaré βρήκε τελικά τη λύση της, τα υπόλοιπα έξι προβλήματα παραμένουν ανοιχτά, υπενθυμίζοντάς μας ότι ακόμη και σήμερα υπάρχουν θεμελιώδη ερωτήματα που περιμένουν την απάντησή τους. Ίσως κάποια από αυτές τις απαντήσεις να αλλάξει όχι μόνο τα μαθηματικά, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τον κόσμο γύρω μας.

"Πώς να το λύσω"

Ο George Polya (1887-1985), γνωστός στους μαθηματικούς ως ο «δάσκαλος των δασκάλων», υπήρξε ταυτόχρονα μια μεγάλη φυσιογνωμία στα ζητήματα της Μαθηματικής Παιδείας και ένας σημαντικός ερευνητής στα Μαθηματικά, ένας από τους εκπροσώπους της Ουγγρικής Μαθηματικής Σχολής, που διακρίθηκε ιδιαίτερα τον 20^ο  αιώνα. Το έργο του Polya στη Μαθηματική Παιδεία αντανακλά τη διαδικασία συνειδητοποίησης, από τον ίδιο, της πορείας προς την ανακάλυψη που πραγματοποιούσε στις μαθηματικές του εργασίες.

Το βιβλίο του «Πώς να το λύσω» (1945) παραμένει και σήμερα, 80 χρόνια μετά την πρώτη γραφή του, ένα πολύ σημαντικό έργο, που επηρεάζει βαθιά όποιον το διαβάζει - και γράφτηκε ακριβώς γι' αυτό: για να αλλάξει στάσεις, συνήθειες και απόψεις, να συζητήσει σε νέα βάση παλιές ιδέες, να φέρει στο φως αγνοημένες αντιλήψεις, μοντέλα και στρατηγικές, που διαμορφώθηκαν «υπόγεια» μέσα σε χιλιάδες χρόνια εξέλιξης της ανθρώπινης κοινωνίας. Οι «μέθοδοι ανακάλυψης» που προτείνει στο «Πώς να το λύσω» έχουν μακρά ιστορία, από τον Πάππο μέχρι τον Descartes και τον Euler, που ο Polya αξιοποιεί διδακτικά.

Πρόκειται, λοιπόν, για μια Διδακτική προερχόμενη από τις ίδιες τις ρίζες των Μαθηματικών, από τη συνειδητοποίηση της πορείας προς την ανακάλυψη. Σαν κείμενο διατηρεί τη ζωντάνια και τη δροσιά ενός ιδιότυπου στυλ. Μοιάζει να απευθύνεται ταυτόχρονα στο δάσκαλο και στο μαθητή στην πραγματικότητα διαβάζεται από κάθε άνθρωπο με στοιχειώδεις γνώσεις λυκείου. Είναι ίσως το πιο γνωστό βιβλίο που γράφτηκε για να δώσει πνοή, να φυσήξει ζωή σ' αυτές τις, απελπιστικά μονότονες και πληκτικές, σχολικές γνώσεις, δείχνοντάς μας έναν τρόπο να τις «δούμε» διαφορετικά.

Διαβάστε ακόμη στο "εις το άπειρον":

Πώς να λύσουμε ένα πρόβλημα;

Το πρόβλημα των τεσσάρων χρωμάτων

 

Το πρόβλημα των τεσσάρων χρωμάτων (four-color problem), είναι ένα "πολύχρωμο" πρόβλημα, που είναι πολύ εύκολο να εξηγηθεί και να κατανοηθεί, αλλά η πολύπλοκη απόδειξή του, που συνάρπαζε και απογοήτευε γενιές μαθηματικών, εξακολουθεί να προκαλεί τη μαθηματική κοινότητα, καθώς είναι το πρώτο θεώρημα στην ιστορία που αποδείχτηκε με χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή. Σε αυτή την ανάρτηση θα μάθουμε περί τίνος πρόκειται...

Παράδειγμα χάρτη χρωματισμένου με τέσσερα χρώματα

Ένα από τα μεγάλα επεισόδια στην ιστορία των μαθηματικών ξεκίνησε στις 23 Οκτωβρίου 1852. Σε μια επιστολή του προς τον Sir William Rowan Hamilton, ο Augustus De Morgan έγραψε: «Ένας μαθητής μου ζήτησε σήμερα να του εξηγήσω ένα γεγονός που δεν ήξερα ότι ήταν γεγονός -και δεν το ξέρω ακόμα».

Μέχρι σήμερα, αυτό το "γεγονός" συνεχίζει να συναρπάζει και να προκαλεί τους μελετητές. Ο φοιτητής ήταν ο Frederick Guthrie και το εν λόγω "γεγονός" προερχόταν αρχικά από τον αδελφό του, Francis. Αφού εξέτασε έναν χάρτη των βρετανικών κομητειών, αναρωτήθηκε αν ήταν πάντα δυνατό να χρωματιστεί ένας χάρτης χρησιμοποιώντας 4 ή λιγότερα χρώματα, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα ότι οι περιοχές που έχουν κοινά σύνορα (περισσότερα από ένα γωνιακό σημείο) έχουν διαφορετικά χρώματα.

Φαινόταν ότι αυτό θα έπρεπε να είναι πάντα εφικτό. «Όσο περισσότερο το σκέφτομαι τόσο πιο προφανές φαίνεται», έγραψε ο De Morgan. Παρόλα αυτά, το πρόβλημα δεν ενθουσίασε τον Hamilton και οι προσπάθειες του De Morgan να προσελκύσει το ενδιαφέρον άλλων ερευνητών απέτυχαν επίσης.

Σύμφωνα με το Θεώρημα των τεσσάρων χρωμάτων, απαιτούνται τέσσερα χρώματα για να χρωματίσετε τη Δυτική Βιρτζίνια, την Πενσυλβάνια, το Οχάιο, το Κεντάκι, τη Βιρτζίνια και το Μέριλαντ -τρία για τους γείτονες της Δυτικής Βιρτζίνια και ένα τέταρτο για την ίδια τη Δυτική Βιρτζίνια.

Το πρόβλημα έμεινε σε αδράνεια μέχρι το 1878, όταν ο Arthur Cayley ρώτησε τα μέλη της Μαθηματικής Εταιρείας του Λονδίνου αν κάποιος είχε βρει μια απόδειξη. Αμέσως μετά, άρχισαν να εμφανίζονται αποδείξεις. Η πρώτη, του δικηγόρου Alfred Kempe το 1879, ήταν αυτή που αποδείχθηκε η πιο σημαντική. Η απόδειξη ήταν πειστική και έγινε αποδεκτή ως σωστή για πάνω από μια δεκαετία. Δυστυχώς, η απόδειξη του Kempe -όπως και όλες οι άλλες που θα εμφανίζονταν τον επόμενο αιώνα- ήταν λανθασμένη. Ωστόσο, ήταν έξυπνη και περιείχε βασικές ιδέες που θα εμφανίζονταν στην τελική απόδειξη.

Για να επικεντρωθούμε στις πληροφορίες που έχουν σημασία, μπορούμε να κωδικοποιήσουμε αυτές τις σχέσεις χρησιμοποιώντας ένα γράφημα, γνωστό και ως δίκτυο, όπου οι κουκκίδες (κορυφές) συνδέονται με γραμμές (άκρες). Αντικαταστήστε κάθε περιοχή του χάρτη με μια κορυφή και συνδέστε τις κορυφές γειτονικών περιοχών με μια άκρη. Αν αυτό βοηθάει, μπορούμε να φανταστούμε ότι οι κορυφές είναι οι πρωτεύουσες και οι άκρες είναι οι δρόμοι που τις ενώνουν.

Για να κατανοήσουμε πώς ο Kempe και οι περισσότεροι μαθηματικοί έχουν δει αυτό το πρόβλημα, βοηθά να αναγνωρίσουμε ότι ένας χάρτης περιέχει πολλές πληροφορίες άσχετες με το πρόβλημα του χρωματισμού, όπως το σχήμα, το μέγεθος και την ακριβή θέση κάθε περιοχής. Το μόνο που έχει σημασία είναι ποιες περιοχές έχουν κοινά σύνορα, αν και απαιτούμε όλες οι περιοχές να συνδέονται μεταξύ τους -το Μίσιγκαν, με την ξεχωριστή άνω χερσόνησο, δεν εμποδίζει στην πραγματικότητα τον χάρτη των ΗΠΑ να είναι τετράχρωμος, αλλά θα μπορούσε, μαθηματικά.

Με αυτόν τον τρόπο, το πρόβλημα χρωματισμού χαρτών μετατρέπεται σε πρόβλημα χρωματισμού γραφημάτων: Χρωματίστε τις κορυφές έτσι ώστε οι γείτονες να έχουν διαφορετικό χρώμα. Ο ελάχιστος αριθμός χρωμάτων ονομάζεται χρωματικός αριθμός του γραφήματος. Μπορούμε να ρωτήσουμε για τον χρωματικό αριθμό οποιουδήποτε γραφήματος, αλλά τα γραφήματα που προέρχονται από χάρτες έχουν ειδικές ιδιότητες. Αυτά τα γραφήματα είναι απλά, δηλαδή δεν υπάρχουν ακμές που αρχίζουν και τελειώνουν στην ίδια κορυφή (που ονομάζονται βρόχοι) και δύο κορυφές μπορούν να ενωθούν μόνο με μία άκρη. Το γράφημα είναι επίσης επίπεδο, δηλαδή μπορεί να σχεδιαστεί έτσι ώστε να μην διασταυρώνονται ακμές.

Ένα πρόβλημα χρωματισμού χαρτών μπορεί να μετατραπεί σε πρόβλημα χρωματισμού γραφημάτων.

Μπορούμε τώρα να επαναδιατυπώσουμε το πρόβλημα του Francis Guthrie: Αποδείξτε ότι ο χρωματικός αριθμός κάθε απλού επίπεδου γραφήματος είναι το πολύ 4. Ακολουθεί ένα περίγραμμα του επιχειρήματος του Kempe, που περιγράφεται με σύγχρονους όρους χρησιμοποιώντας γραφήματα αντί για χάρτες. Ξεκίνησε παρατηρώντας ότι ένα γράφημα με μία κορυφή -ίσως ο χάρτης να είναι ένα μοναχικό νησί- απαιτεί μόνο ένα χρώμα. Στη συνέχεια χρησιμοποίησε ένα έξυπνο επιχείρημα για να χτίσει από εκεί και πέρα προς τα πάνω, υποστηρίζοντας ότι είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν το πολύ τέσσερα χρώματα για να χρωματιστεί ένα γράφημα με δύο κορυφές, μετά τρεις κορυφές και ούτω καθεξής. Ορίστε πώς: Ας υποθέσουμε ότι μπορούμε να χρωματίσουμε όλα τα απλά επίπεδα γραφήματα με n κορυφές με το πολύ τέσσερα χρώματα —αυτό είναι ασήμαντο για n μικρότερο από 5— και τότε μας δίνεται ένα γράφημα με n+1 κορυφές. Πώς μπορούμε να δείξουμε ότι και αυτό θα χρωματίζεται το πολύ με τέσσερα χρώματα;

Αρχικά, ο Kempe έδειξε, χρησιμοποιώντας ένα προσεκτικό επιχείρημα καταμέτρησης, ότι κάθε απλό επίπεδο γράφημα έχει κάτι κοινό: πρέπει να περιέχει τουλάχιστον μία κορυφή με το πολύ 5 γείτονες. Λαμβάνοντας υπόψη όλες τις επιλογές, αυτό σημαίνει ότι κάθε πιθανό γράφημα που βασίζεται σε έναν χάρτη περιέχει μία από έξι ειδικές διαμορφώσεις κορυφών.

Αν και περιγράφηκε χρησιμοποιώντας χάρτες και όχι γραφήματα, ο Alfred Kempe έδειξε ότι κάθε απλό επίπεδο γράφημα πρέπει να έχει μια κορυφή ενός από αυτούς τους τύπους.

Εάν αφαιρέσουμε αυτήν την κορυφή και όλες τις άκρες που συνδέονται με αυτήν, αφήνουμε πίσω μας ένα γράφημα με n κορυφές —το οποίο ήδη γνωρίζουμε ότι μπορεί να χρωματιστεί χρησιμοποιώντας 4 χρώματα. Στην πραγματικότητα το κάνουμε ως το επόμενο βήμα. Τώρα, κοιτάξτε τις κορυφές δίπλα στην κορυφή που αφαιρέσατε. Εάν εμφανίζουν 3 ή λιγότερα χρώματα, μπορούμε να χρωματίσουμε την κορυφή που αφαιρέθηκε με ένα από τα υπόλοιπα χρώματα και τελειώσαμε: Μόλις δείξαμε ότι το γράφημα με n+1 κορυφές μπορεί να χρωματιστεί με 4 χρώματα. Και αν οι γειτονικές κορυφές περιλαμβάνουν και τα 4 χρώματα, ο Kempe επινόησε μια έξυπνη μέθοδο επαναχρωματισμού ορισμένων κορυφών για να ελευθερώσει ένα χρώμα για την κορυφή που αφαιρέθηκε, δείχνοντας πάλι ότι το γράφημα με n+1 κορυφές χρειάζεται μόνο 4 χρώματα.

Το 1890, ο μαθηματικός Percy Heawood εντόπισε το λάθος του Kempe. Υπήρχε μια ειδική περίπτωση στην οποία η έξυπνη μέθοδος του Kempe απέτυχε. Ο Heawood παρατήρησε ότι, αν και η δική του εργασία φαινόταν "μάλλον καταστροφική παρά εποικοδομητική", έδειξε ότι η τεχνική του Kempe μπορούσε να αποδείξει ότι κάθε χάρτης μπορεί να χρωματιστεί με 5 ή λιγότερα χρώματα - όχι όπως ακριβώς ο αρχικός στόχος, αλλά και πάλι εντυπωσιακός.

Ο Heawood διερεύνησε επίσης χάρτες που σχεδιάστηκαν σε πιο περίπλοκες επιφάνειες. Απέδειξε ότι ένας χάρτης σε ένα ντόνατ με g τρύπες μπορεί να χρειαστεί \( \frac{1}{2} \big( 7+\sqrt{1+48g} \big) \)   χρώματα (όπου αυτή η τιμή στρογγυλοποιείται στον πλησιέστερο ακέραιο). Όμως, σύμφωνα με αυτό που είχε αρχίσει να γίνεται συνήθεια, η απόδειξή του για τις γενικές επιφάνειες ήταν ελλιπής, και δεν είχαμε μια πλήρη απόδειξη μέχρι το 1968.

Για αυτόν τον χάρτη σε ένα ντόνατ, που φαίνεται και από τις δύο πλευρές, κάθε μία από τις επτά περιοχές συνορεύει με τις άλλες έξι περιοχές, οπότε απαιτούνται επτά χρώματα.

Αλλά ακόμη και όταν αποδείχθηκε το θεώρημα του Heawood για γενικές επιφάνειες, το πρόβλημα των τεσσάρων χρωμάτων παρέμεινε άλυτο. Χάρη σε δεκαετίες σκληρής δουλειάς, όμως, η απόδειξη ήταν ορατή. Σε ένα συνέδριο το 1976, 124 χρόνια αφότου ο Guthrie έθεσε το πρόβλημα, ο Wolfgang Haken ανακοίνωσε μια απόδειξη σε συνεργασία με τον Kenneth Appel και με τη βοήθεια του μεταπτυχιακού φοιτητή John Koch. Οι αντιδράσεις ήταν ανάμεικτες. "Περίμενα ότι το ακροατήριο θα ξεσπούσε σε ένα μεγάλο χειροκρότημα", έγραψε ο Don Albers, ο οποίος ήταν παρών στην ομιλία. "Αντίθετα, απάντησαν με ευγενικό χειροκρότημα!" Αυτό συνέβη επειδή η ομάδα, αντί να παράγει ένα επιχείρημα με μολύβι και χαρτί, βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό σε έναν υπολογιστή.

Δεν έβαλαν μια μηχανή να απαντήσει άμεσα στο ερώτημα, καθώς είναι δυνατά άπειρα επίπεδα γραφήματα και ένας υπολογιστής δεν μπορεί να τα ελέγξει όλα. Ωστόσο, όπως ο Kempe απέδειξε ότι κάθε γράφημα περιέχει μία από έξι ειδικές διαμορφώσεις κορυφών, οι Appel και Haken έδειξαν ότι κάθε γράφημα πρέπει να έχει μία από 1.936 ειδικές διαμορφώσεις. Η απόδειξη του θεωρήματος ισοδυναμεί με το να δείξουμε ότι χρειαζόμαστε μόνο τέσσερα χρώματα για να χρωματίσουμε οποιοδήποτε γράφημα που περιέχει αυτούς τους υπογράφους. Η διάσπαση των έξι ειδικών περιπτώσεων του Kempe σε 1.936 υποπεριπτώσεις τους έδωσε πιο λεπτομερή έλεγχο και έκανε κάθε περίπτωση ευκολότερο να ελεγχθεί -αν και ο συνολικός αριθμός ήταν πλέον πολύ μεγάλος για να μπορέσει ένας άνθρωπος να τον ελέγξει χωρίς βοήθεια. Στην πραγματικότητα, η ολοκλήρωση των υπολογισμών απαιτούσε πάνω από 1.000 ώρες εργασίας στον υπολογιστή.

Η μαθηματική κοινότητα δέχτηκε τα αποτελέσματα απρόθυμα, πιστεύοντας ότι μια απόδειξη πρέπει να είναι κατανοητή και επαληθεύσιμη αποκλειστικά από τον άνθρωπο. Ενώ ήταν αποδεκτό οι υπολογιστές να εκτελούν αριθμητικές πράξεις ρουτίνας, οι μαθηματικοί δεν ήταν διατεθειμένοι να παραχωρήσουν τη λογική σκέψη σε μια υπολογιστική συσκευή. Αυτός ο συντηρητισμός και η απροθυμία να αγκαλιάσουν τις εξελίξεις που εξοικονομούν χρόνο δεν ήταν κάτι καινούργιο. Τον 17ο αιώνα, υπήρξε παρόμοια κατακραυγή όταν ορισμένοι μαθηματικοί χρησιμοποίησαν νεόφερτες αλγεβρικές τεχνικές για να λύσουν προβλήματα γεωμετρίας. Παρόμοιο δράμα μπορεί να διαδραματιστεί και πάλι με την άνοδο της μηχανικής μάθησης: Θα δεχτούν οι μαθηματικοί ένα θεώρημα που ανακαλύφθηκε και αποδείχθηκε από έναν αδιαφανή αλγόριθμο;

Η απόδειξη του προβλήματος των τεσσάρων χρωμάτων ήταν, φυσικά, μόνο η αρχή της επανάστασης των υπολογιστών στα μαθηματικά. Το 1998 ο Thomas Hales χρησιμοποίησε έναν υπολογιστή για να αποδείξει την περίφημη εικασία του Johannes Kepler ότι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να στοιβάζονται σφαίρες είναι αυτός που χρησιμοποιείται συνήθως για να στοιβάζονται πορτοκάλια σε ένα παντοπωλείο. Και πρόσφατα οι υπολογιστές βοήθησαν να βρεθεί ο "αριθμός του Θεού" - ο μέγιστος αριθμός στροφών που απαιτούνται για να λυθεί ένας κύβος του Ρούμπικ (20 στροφές ή 26 αν οι μισές στροφές μετράνε ως δύο). Αν και το πρόβλημα των τεσσάρων χρωμάτων για τους χάρτες έχει διευθετηθεί, πολλά βασικά ερωτήματα σχετικά με το χρωματισμό γραφημάτων παραμένουν αναπάντητα ή μόλις τώρα επιλύονται.

Η εργασία του Heawood με τις επιφάνειες έδειξε ότι μπορούμε να θέσουμε ερωτήματα χρωματικότητας για μη επίπεδα γραφήματα. Και στην πραγματικότητα, ο χρωματικός αριθμός ενός συγκεκριμένου γραφήματος δεν εξαρτάται από την επιφάνεια στην οποία σχεδιάζεται ο ισοδύναμος χάρτης. Για παράδειγμα, ένα γράφημα στον οποίο κάθε κορυφή συνδέεται με κάθε άλλη κορυφή ονομάζεται πλήρες γράφημα και ο χρωματικός αριθμός ενός πλήρους γραφήματος με n κορυφές είναι n. Έτσι, αν ένας μεγάλος γράφος (γράφημα) περιέχει έναν πλήρη γράφο με n κορυφές, τότε γνωρίζουμε ότι ο χρωματικός αριθμός του μεγάλου γραφήματος είναι τουλάχιστον n.

Ένα πλήρες γράφημα με n κορυφές έχει χρωματικό αριθμό n.

Η παρατήρηση αυτή δεν συνεπάγεται ότι αν ο χρωματικός αριθμός ενός γραφήματος είναι n, τότε περιέχει ένα πλήρες γράφημα με n κορυφές. Αλλά το 1943, ο Hugo Hadwiger υπέθεσε κάτι πολύ παρόμοιο. Πίστευε ότι αν ένα γράφημα χωρίς βρόχους έχει χρωματικό αριθμό n, τότε έχει μια διάταξη κορυφών που ονομάζεται K_n, όπου η διαγραφή ορισμένων κορυφών και ακμών και η ομαδοποίηση άλλων οδηγεί σε ένα πλήρες γράφημα με n κορυφές. Αναδιατυπωμένη, αυτή η εικασία δηλώνει ότι αν ένα γράφημα δεν έχει ένα δευτερεύον K_n, τότε μπορεί να χρωματιστεί με λιγότερα από n χρώματα. Η εικασία του Hadwiger, ένα από τα σημαντικότερα ανοιχτά προβλήματα στη θεωρία γραφημάτων, γενικεύει το θεώρημα των τεσσάρων χρωμάτων, καθώς ένα επίπεδο γράφημα δεν μπορεί να περιέχει έναK₅ minor.

Αν και ο χρωματισμός γραφημάτων ξεκίνησε με ένα ερώτημα στη χαρτογραφία, προβλήματα που δεν έχουν καμία σχέση με χάρτες ή χρώματα μπορούν επίσης να ενταχθούν στο πλαίσιο του χρωματισμού γραφημάτων. Για παράδειγμα, το sudoku είναι ένα πρόβλημα χρωματισμού γραφήματος μεταμφιεσμένο. Δείτε κάθε κελί ως κορυφή και τα εννέα ψηφία ως χρώματα. Κάθε κορυφή έχει 20 ακμές που βγαίνουν από αυτήν -μία προς κάθε κελί στη σειρά, στη στήλη και στο υποτετράγωνο 3x3. Αυτός ο γράφος με 81 κορυφές και 810 ακμές ξεκινά με έναν μερικό χρωματισμό (τις δεδομένες ενδείξεις). Το αντικείμενο του παιχνιδιού είναι να χρωματίσετε τις υπόλοιπες κορυφές.

Το Sudoku μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πρόβλημα χρωματισμού γραφημάτων.

Παρ' όλη την προσοχή που έχουν λάβει αυτά τα προβλήματα χρωματισμού, δεν έχουμε ακόμα μια απόδειξη του αρχικού θεωρήματος των τεσσάρων χρωμάτων που να μπορεί να διαβάσει ένας άνθρωπος. Αυτό δεν οφείλεται στην έλλειψη προσπάθειας. Ακόμη και σήμερα, νέες αποδείξεις εμφανίζονται, προκαλούν κάποιο ενθουσιασμό και, όπως η απόδειξη του Kempe, αποδεικνύεται ότι περιέχουν λάθη.

Ο μαθηματικός Paul Erdös συνήθιζε να μιλάει για το "The Book" -έναν φανταστικό τόμο που περιέχει τις πιο κομψές αποδείξεις κάθε θεωρήματος. Αναρωτιέται κανείς αν το "The Book" περιέχει μια αναγνώσιμη από τον άνθρωπο απόδειξη του θεωρήματος των τεσσάρων χρωμάτων, και αν ναι, αν θα τη δούμε ποτέ...

 

Πηγή: Quanta Magazine

Πώς να λύσουμε ένα πρόβλημα;

"Μια μεγάλη ανακάλυψη λύνει ίσως ένα μεγάλο πρόβλημα, μπορούμε να πούμε όμως ότι πίσω από τη λύση κάθε προβλήματος κρύβεται και μια μικρή ανακάλυψη. Το πρόβλημά σας μπορεί να είναι απλό. Αλλά αν προκαλεί την περιέργειά σας και ενεργοποιεί τις εφευρετικές σας ικανότητες και, αν το λύσετε μόνοι σας, τότε ίσως να δοκιμάσετε την ένταση και να απολαύσετε τον θρίαμβο της ανακάλυψης..."

Ο George Polya έφερε στο φως αγνοημένες αντιλήψεις, μοντέλα και στρατηγικές και, απευθυνόμενος ταυτόχρονα στο δάσκαλο και τον μαθητή, περιέγραψε τα στάδια επίλυσης ενός προβλήματος και έδωσε μεγάλο πλήθος μεθόδων επίλυσης προβλημάτων.

Τα 4 στάδια επίλυσης προβλήματος κατά τον Polya είναι:

1. Κατανόηση προβλήματος

Καθορίζονται τα δεδομένα, οι συνθήκες και ο άγνωστος του προβλήματος.

2. Κατάστρωση σχεδίου επίλυσης
Το στάδιο αυτό είναι ιδιαίτερα κρίσιμο, καθώς η κατάστρωση ενός σχεδίου ενδέχεται να είναι μια χρονοβόρα διαδικασία. Συχνά οι προσπάθειες μπορεί να αποτύχουν και θα χρειαστεί οι μαθητές να δοκιμάσουν αρκετά διαφορετικά σχέδια επίλυσης μέχρι να καταλήξουν σε μια αποτελεσματική μέθοδο.

3. Εφαρμογή του σχεδίου

Το στάδιο αυτό θεωρείται από τον Polya πιο εύκολο από τα προηγούμενα. Οι μαθητές χρειάζονται κυρίως υπομονή, ώστε να εφαρμόσουν σωστά το σχέδιό τους.

4. Κοιτάζοντας πίσω

Το τελευταίο στάδιο θεωρείται πολύ σημαντικό, καθώς συμβάλλει στην ικανότητα επίλυσης προβλημάτων και δεν πρέπει να παραλείπεται.

Αναστοχαστικές δράσεις των μαθητών ανά στάδιο επίλυσης προβλήματος

1.

• Ξέρω ποιος είναι ο άγνωστος του προβλήματος;
• Ξέρω ποια είναι τα δεδομένα και οι συνθήκες που εμπλέκονται στο πρόβλημα;

2.

• Μπορώ να κάνω ένα σχήμα ή κάποιο σχέδιο;
• Έχω ξαναδεί το ίδιο ή παρόμοιο ή σχετικό πρόβλημα προηγουμένως;
• Ξέρω ένα σχετικό θεώρημα/μαθηματικό τύπο που μπορώ να χρησιμοποιήσω;
• Θα μπορούσα να λύσω ένα ανάλογο απλούστερο πρόβλημα;

3.

• Είναι η σωστή η πορεία μου μέχρι τώρα;
• Πώς μπορώ να ελέγξω αν αυτό που έκανα είναι σωστό;

4.

• Τι έμαθα λύνοντας αυτό το πρόβλημα;

Αναστοχαστικές δράσεις του εκπαιδευτικού ανά στάδιο επίλυσης προβλήματος

1.

• Κατανόησε ο μαθητής τα δεδομένα και τα ζητούμενα του προβλήματος;
• Μπορεί ο μαθητής να επαναδιατυπώσει το πρόβλημα με δικά του λόγια;
• Υπάρχουν παρερμηνείες ή αδυναμίες σχετικά με το περιεχόμενο του προβλήματος;

2.

• Έχει αναπτύξει ο μαθητής κάποιο σχέδιο;
• Πώς μπορώ να τον συμβουλεύσω χωρίς να του δώσω την απάντηση;
• Υπάρχουν πληροφορίες που θα μπορούσα να του συστήσω να αναζητήσει;
• Πώς θα μπορούσα να τον βοηθήσω να κάνει συνδέσεις με ένα παρόμοιο ή σχετικό πρόβλημα;
• Πώς θα μπορούσα να τον βοηθήσω να λάβει υπόψη του όλα τα δεδομένα αλλά και τις βασικές έννοιες που εμπλέκονται;
• Μπορώ να τον βοηθήσω να κάνει εικασίες σχετικά με τη λύση;
• Μπορώ να του ζητήσω να σχεδιάσει μια πορεία λύσης;

3.

• Τι ερωτήσεις θα μπορούσα να του απευθύνω κατά την εκτέλεση του σχεδίου, ώστε να βεβαιωθώ ότι το σχέδιό του μπορεί να τον οδηγήσει στη λύση;
• Έχει ελέγξει ο μαθητής το αποτέλεσμα που βρήκε με έναν κατάλληλο και πειστικό τρόπο;

4.

• Πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει το αποτέλεσμα, την κεντρική ιδέα, τη μέθοδο ή τη στρατηγική για ένα μελλοντικό πρόβλημα;
• Πώς μπορώ να κάνω το πρόβλημα πιο γενικό;
• Πώς μπορώ να κάνω το πρόβλημα πιο ρεαλιστικό;
• Μπορεί ο μαθητής να βρει και άλλους τρόπους λύσης;
• Τι έμαθε ο μαθητής λύνοντας αυτό το πρόβλημα;

Μερικές από τις στρατηγικές επίλυσης προβλημάτων, σύμφωνα με τη διδασκαλία του Polya, είναι οι παρακάτω:

Στο βίντεο που ακολουθεί, που τραβήχτηκε γύρω στο 1975 με 1980, ο Polya εξηγεί στους φοιτητές τις παραπάνω στρατηγικές μέσα από την προσπάθεια επίλυσης ενός γεωμετρικού προβλήματος στον τρισδιάστατο χώρο. Μας παροτρύνει να προσπαθούμε να απλουστεύσουμε το πρόβλημα, να παρατηρούμε, να φτιάχνουμε σχήματα, να εντοπίζουμε αναλογίες, να βρίσκουμε μοτίβα και να κάνουμε αιτιολογημένες εικασίες, έπειτα να ελέγχουμε αν οι εικασίες μας είναι ορθές και αν δεν είναι να συνεχίζουμε με άλλο τρόπο... Αξίζει να το παρακολουθήσει κάθε εκπαιδευτικός που διδάσκει Μαθηματικά!

.~*~.~*~.~*~.~*~.~*~.~*~

"Διδασκαλία είναι το να δίνεις την ευκαιρία στους μαθητές να ανακαλύπτουν πράγματα μόνοι τους".
George Polya (1887-1985)

.~*~.~*~.~*~.~*~.~*~.~*~

Πηγές

Polya, G. (1998). Πώς να το λύσω; (3η έκδ.) Αθήνα: Καρδαμίτσα (Το πρωτότυπο έργο δημοσιεύθηκε το 1945).

Schoenfeld, H. (1992). Learning to think mathematically: Problem-solving, metacognition and sense making in mathematics. Handbook of research on mathematics teaching and learning (pp. 334-368). New York: MacMillan.

YouTube: scud1234: "Polya explains the problem solving technique"