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四色定理在三维里还成立吗?

(2014-08-30 15:20:29)
标签:

数学

PS:该死的网络终于通了。断网已经断了一个月了……

回到正题。二维的四色定理我们应该都知道:给一幅二维地图上色(要求相邻区块颜色不同 )只要四种颜色就够了。那么三维地图需要几种颜色呢?

 

出乎意料,给一幅三维"地图"上色,需要的颜色数量没有上界。这意味着无论你用几种颜色,都存在不能上色的“地图”。你能想到为什么吗?

 

我们现在二维中画下面这幅地图。(黑色的才是地图,红色的圆不是)

http://s5/small/0040rvx6gy6LEjsnRXu64&690

可以看出图中有4个圆,他们通过搭桥形成完全图,并且每一座桥中间都有隔断。我要达到的效果是每一个圆所在的区域都与其它区域相交。但是出现了奇怪的地方:由于地图是二维的,红色圆圈的地方出现了异常:我希望连通的地方被其它的桥阻断了!

当然,图中的情况很好解决,把圆的位置改一下就行了,如下图。(圆用点表示,桥用线表示)

http://s16/small/0040rvx6gy6LEjTQ4aj7f&690
但是把圆圈数增大为5时就不行了:下图是最好的情况,但还是有一处有问题。

http://s7/small/0040rvx6gy6LEk3nCuy76&690
这也验证了四色定理的一种情况:总是只用4种颜色;

但是到了三维会是什么样子呢?把上图中的点想象成球,把线想象成立体的管子,你会发现圆圈所在地方的交点
在三维是可以避免的,因为一条管子可以绕到另一条背后。因为是完全图,5个点两两相邻,所以上图在三维中要5中颜色,一个点所在的区域要一种。(别忘了管子的中间有隔断)

扩展到n个点的情况。我们可以构造一个n个顶点的完全图,然后把每个点变成球,线变成管子,平面上相交的地方可以在三维中绕过去,最后在管子中间隔断,这样我们就造出了一幅需要n中颜色才能染完的三维"地图"。

所以结论是:给一幅三维"地图"染色,需要的颜色数没有上界。


 

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