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快樂結局問題


HappyEndProblem

快樂結局問題,也稱為“快樂的結局問題”,是為了確定對於 n>=3 使得在平面上處於一般位置(即,其中沒有三點是共線)的最小點數 g(n) 的問題,這樣 g(n) 個點的每一種可能的排列都將總是包含至少一組 n 個點,這些點是一個 凸多邊形n 條邊的頂點。當兩位最初研究這個問題的研究者 Ester Klein 和 George Szekeres 訂婚並隨後結婚時,Erdős 給這個問題起了這個名字(Hoffman 1998, p. 76)。

由於三個非共線點總是確定一個三角形,所以 g(3)=3

HappyEndProblem4

上面展示了 n=4 個點的隨機排列。請注意,對於上面第五和第八個圖中顯示的排列,不可能有凸四邊形,因此 g(4) 必須大於 4。E. Klein 證明了 g(4)=5,透過展示任何五個點的排列都必然屬於三種情況之一(左上圖;Hoffman 1998, pp. 75-76)。

HappyEndProblem8

上面展示了 n=8 個點的隨機排列。請注意,對於上面第五個圖中顯示的排列,不可能有凸五邊形,因此 g(5) 必須大於 8。E. Makai 證明了 g(5)=9,在證明對於八個點可以找到反例之後(右上圖;Hoffman 1998, pp. 75-76)。

隨著點的數量 n 的增加,為了檢視它們是否形成凸 k 邊形,需要檢查的 k-子集 的數量 n 也隨著 (n; k) 而增加,因此組合爆炸阻止了對遠大於 n=5 的情況進行輕鬆研究。此外,引數空間變得如此之大,以至於即使對於 n=6k=12 個點的情況,隨機搜尋反例也需要極長的時間。由於這些原因,一般問題仍然是開放的。

Szekeres 和 Peters (2006) 使用 1500 CPU 時的計算機搜尋證明了 g(6)=17,該搜尋消除了 17 個點的所有可能配置,這些配置缺少凸六邊形,同時僅檢查了所有配置中的一小部分。Marić (2019) 和 Scheucher (2020) 獨立地驗證了 g(6)=17,在幾個 CPU 小時內使用了可滿足性 (SAT) 求解,Scheucher (2023) 後來將時間縮短到 10 CPU 分鐘,Heule 和 Scheucher (2024) 縮短到 8.53 CPU 秒。

因此,g(n) 對於 n=3、4、5 和 6 的前幾個值分別是 3、5、9、17,這恰好是 2^(n-2)+1。然而,g(n) 對於 n>=7 的值是未知的。

Erdős 和 Szekeres (1935) 表明 g(n) 總是存在,並推匯出界限

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

其中 (n; k) 是一個 二項式係數。對於 n>=4,此界限後來被簡化為 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。


另請參閱

凸包, 凸多邊形

使用 探索

參考文獻

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. "平面上強制凸 n 邊形。" Discr. Comput. Geom. 19, 367-371, 1998.Erdős, P. 和 Szekeres, G. "幾何學中的一個組合問題。" Compositio Math. 2, 463-470, 1935.Heule, M. J. H. 和 Scheucher, M. "快樂結局:每 30 個點的集合中都有一個空六邊形。" 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. "在平面點集中尋找凸集。" 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 個頂點的凸多邊形的 Erdős-Szekeres 猜想的快速形式化證明。" J. Automated Reasoning 62, 301-329, 2019.Scheucher, M. "點集中的兩個不相交的 5-洞。" Comput. Geom. 91, 101670, 2020.Scheucher, M. "對 Rd 中的 Erd-Szekeres 數和空六邊形定理的 SAT 攻擊。" Computing in Geometry and Topology 2, 2:1-2:13, 2023.Szekeres, G. 和 Peters, L. "17 點 Erdős-Szekeres 問題的計算機解法。" ANZIAM J. 48, 151-164, 2006.Tóth, G. 和 Valtr, P. "關於 Erdős-Szekeres 定理的註釋。" Discr. Comput. Geom. 19, 457-459, 1998.Soifer, A. "快樂結局問題。" 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 上被引用

快樂結局問題

請引用為

Weisstein, Eric W. "快樂結局問題。" 來自 --一個 資源。 https://mathworld.tw/HappyEndProblem.html

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