主题
Search

快乐结局问题


HappyEndProblem

快乐结局问题,也称为“快乐的结局问题”,是为了确定对于 n>=3 使得在平面上处于一般位置(即,其中没有三点是共线)的最小点数 g(n) 的问题,这样 g(n) 个点的每一种可能的排列都将总是包含至少一组 n 个点,这些点是一个 凸多边形n 条边的顶点。当两位最初研究这个问题的研究者 Ester Klein 和 George Szekeres 订婚并随后结婚时,Erdős 给这个问题起了这个名字(Hoffman 1998, p. 76)。

由于三个非共线点总是确定一个三角形,所以 g(3)=3

HappyEndProblem4

上面展示了 n=4 个点的随机排列。请注意,对于上面第五和第八个图中显示的排列,不可能有凸四边形,因此 g(4) 必须大于 4。E. Klein 证明了 g(4)=5,通过展示任何五个点的排列都必然属于三种情况之一(左上图;Hoffman 1998, pp. 75-76)。

HappyEndProblem8

上面展示了 n=8 个点的随机排列。请注意,对于上面第五个图中显示的排列,不可能有凸五边形,因此 g(5) 必须大于 8。E. Makai 证明了 g(5)=9,在证明对于八个点可以找到反例之后(右上图;Hoffman 1998, pp. 75-76)。

随着点的数量 n 的增加,为了查看它们是否形成凸 k 边形,需要检查的 k-子集 的数量 n 也随着 (n; k) 而增加,因此组合爆炸阻止了对远大于 n=5 的情况进行轻松研究。此外,参数空间变得如此之大,以至于即使对于 n=6k=12 个点的情况,随机搜索反例也需要极长的时间。由于这些原因,一般问题仍然是开放的。

Szekeres 和 Peters (2006) 使用 1500 CPU 时的计算机搜索证明了 g(6)=17,该搜索消除了 17 个点的所有可能配置,这些配置缺少凸六边形,同时仅检查了所有配置中的一小部分。Marić (2019) 和 Scheucher (2020) 独立地验证了 g(6)=17,在几个 CPU 小时内使用了可满足性 (SAT) 求解,Scheucher (2023) 后来将时间缩短到 10 CPU 分钟,Heule 和 Scheucher (2024) 缩短到 8.53 CPU 秒。

因此,g(n) 对于 n=3、4、5 和 6 的前几个值分别是 3、5、9、17,这恰好是 2^(n-2)+1。然而,g(n) 对于 n>=7 的值是未知的。

Erdős 和 Szekeres (1935) 表明 g(n) 总是存在,并推导出界限

 2^(n-2)+1<=g(n)<=(2n-4; n-2)+1,
(1)

其中 (n; k) 是一个 二项式系数。对于 n>=4,此界限后来被简化为 g(n)<=g_1(n),其中

 g_1(n)=(2n-4; n-2)
(2)

由 Chung 和 Graham (1998) 提出,g(n)<=g_2(n),其中

 g_2(n)=(2n-4; n-2)+7-2n
(3)

由 Kleitman 和 Pachter (1998) 提出,以及 g(n)<=g_3(n),其中

 g_3(n)=(2n-5; n-2)+2
(4)

由 Tóth 和 Valtr (1998) 提出。


另请参阅

凸包, 凸多边形

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Borwein, J. 和 Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, p. 78, 2003.Chung, F. R. K. 和 Graham, R. L. "平面上强制凸 n 边形。" Discr. Comput. Geom. 19, 367-371, 1998.Erdős, P. 和 Szekeres, G. "几何学中的一个组合问题。" Compositio Math. 2, 463-470, 1935.Heule, M. J. H. 和 Scheucher, M. "快乐结局:每 30 个点的集合中都有一个空六边形。" 2024 年 3 月 1 日。 https://arxiv.org/abs/2403.00737.Hoffman, P. The Man Who Loved Only Numbers: The Story of Paul Erdős and the Search for Mathematical Truth. New York: Hyperion, pp. 75-78, 1998.Kleitman, D. 和 Pachter, L. "在平面点集中寻找凸集。" Discr. Comput. Geom. 19, 405-410, 1998.Lovász, L.; Pelikán, J.; 和 Vesztergombi, K. Discrete Mathematics, Elementary and Beyond. New York: Springer-Verlag, 2003.Marić, F. "最多有 6 个顶点的凸多边形的 Erdős-Szekeres 猜想的快速形式化证明。" J. Automated Reasoning 62, 301-329, 2019.Scheucher, M. "点集中的两个不相交的 5-洞。" Comput. Geom. 91, 101670, 2020.Scheucher, M. "对 Rd 中的 Erd-Szekeres 数和空六边形定理的 SAT 攻击。" Computing in Geometry and Topology 2, 2:1-2:13, 2023.Szekeres, G. 和 Peters, L. "17 点 Erdős-Szekeres 问题的计算机解法。" ANZIAM J. 48, 151-164, 2006.Tóth, G. 和 Valtr, P. "关于 Erdős-Szekeres 定理的注释。" Discr. Comput. Geom. 19, 457-459, 1998.Soifer, A. "快乐结局问题。" 第 31 章,在 The New Mathematical Coloring Book: Mathematics of Coloring and the Colorful Life of Its Creators, 2nd ed. New York: Springer, pp. 321-337, 2024.

在 Wolfram|Alpha 上被引用

快乐结局问题

请引用为

Weisstein, Eric W. "快乐结局问题。" 来自 MathWorld--一个 Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/HappyEndProblem.html

主题分类