四色猜想

概括：这道题是柴雀椅同学的课后语文练习题，主要是关于四色猜想，指导老师为丰老师。世界三大数学猜想即费马猜想、四色猜想和哥德巴赫猜想。 费马猜想的证明于1994年由英国数学家安德鲁·怀尔斯(Andrew Wiles)完成，遂称费马大定理; 四色猜想的证明于1976年由美国数学家阿佩尔(Kenneth Appel)与哈肯(Wolfgang Haken)借助计算机完成，遂称四色定理; 哥德巴赫猜想尚未解决，目前最好的成果(陈氏定理)乃于1966年由中国数学家陈景润取得。这三个问题的共同点就是题面简单易懂，内涵深邃无比，影响了一代代的数学家。

题目：四色猜想

解：

四色猜想（三大数学难题之三）

世界近代三大数学难题之一.四色猜想的提出来自英国.1852年,毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时,发现了一种有趣的现象：“看来,每幅地图都可以用四种颜色着色,使得有共同边界的国家着上不同的颜色.”这个结论能不能从数学上加以严格证明呢?他和在大学读书的弟弟格里斯决心试一试.兄弟二人为证明这一问题而使用的稿纸已经堆了一大叠,可是研究工作没有进展.

1852年10月23日,他的弟弟就这个问题的证明请教他的老师、著名数学家德.摩尔根,摩尔根也没有能找到解决这个问题的途径,于是写信向自己的好友、著名数学家哈密尔顿爵士请教.哈密尔顿接到摩尔根的信后,对四色问题进行论证.但直到1865年哈密尔顿逝世为止,问题也没有能够解决.

1872年,英国当时最著名的数学家凯利正式向伦敦数学学会提出了这个问题,于是四色猜想成了世界数学界关注的问题.世界上许多一流的数学家都纷纷参加了四色猜想的大会战.1878～1880年两年间,著名的律师兼数学家肯普和泰勒两人分别提交了证明四色猜想的论文,宣布证明了四色定理,大家都认为四色猜想从此也就解决了.

11年后,即1890年,数学家赫伍德以自己的精确计算指出肯普的证明是错误的.不久,泰勒的证明也被人们否定了.后来,越来越多的数学家虽然对此绞尽脑汁,但一无所获.于是,人们开始认识到,这个貌似容易的题目,其实是一个可与费马猜想相媲美的难题：先辈数学大师们的努力,为后世的数学家揭示四色猜想之谜铺平了道路.

进入20世纪以来,科学家们对四色猜想的证明基本上是按照肯普的想法在进行.1913年,伯克霍夫在肯普的基础上引进了一些新技巧,美国数学家富兰克林于1939年证明了22国以下的地图都可以用四色着色.1950年,有人从22国推进到35国.1960年,有人又证明了39国以下的地图可以只用四种颜色着色；随后又推进到了50国.看来这种推进仍然十分缓慢.电子计算机问世以后,由于演算速度迅速提高,加之人机对话的出现,大大加快了对四色猜想证明的进程.1976年,美国数学家阿佩尔与哈肯在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上,用了1200个小时,作了100亿判断,终于完成了四色定理的证明.四色猜想的计算机证明,轰动了世界.它不仅解决了一个历时100多年的难题,而且有可能成为数学史上一系列新思维的起点.不过也有不少数学家并不满足于计算机取得的成就,他们还在寻找一种简捷明快的书面证明方法.

举一反三

例1： 【怎样证明四色猜想】[历史练习题]

思路提示：

这个四色猜想,没有严格意义上被证明出来.

有数学家利用计算机.证明出来了,但是有的数学家还是不承认这个方法.

附录：

计算机证明四色问题

　　高速数字计算机的发明,促使更多数学家对“四色问题”的研究.从1936年就开始研究四色猜想的海克,公开宣称四色猜想可用寻找可约图形的不可避免组来证明.他的学生丢雷写了一个计算程序,海克不仅能用这程序产生的数据来证明构形可约,而且描绘可约构形的方法是从改造地图成为数学上称为“对偶”形着手.

　　他把每个国家的首都标出来,然后把相邻国家的首都用一条越过边界的铁路连接起来,除首都(称为顶点)及铁路(称为弧或边)外,擦掉其他所有的线,剩下的称为原图的对偶图.到了六十年代后期,海克引进一个类似于在电网络中移动电荷的方法来求构形的不可避免组.在海克的研究中第一次以颇不成熟的形式出现的“放电法”,这对以后关于不可避免组的研究是个关键,也是证明四色定理的中心要素.

　　电子计算机问世以后,由于演算速度迅速提高,加之人机对话的出现,大大加快了对四色猜想证明的进程.美国伊利诺大学哈肯在1970年着手改进“放电过程”,后与阿佩尔合作编制一个很好的程序.就在1976年6月,他们在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上,用了1200个小时,作了100亿判断,终于完成了四色定理的证明,轰动了世界.

　　这是一百多年来吸引许多数学家与数学爱好者的大事,当两位数学家将他们的研究成果发表的时候,当地的邮局在当天发出的所有邮件上都加盖了“四色足够”的特制邮戳,以庆祝这一难题获得解决.

例2： 【谁能证明四色定理】[数学练习题]

思路提示：

在平面图中,不在同一直线上的三点决定一个平面,那么三点构成的三角形是平面图中最基本、最简单、最稳定、密闭的图形.由于在对地图着色过程中不考虑图的具体形状只考虑点是否相邻,将平面图的不相连点使其相连（这样增加着色难度）,形成有许多三角形相连的平面图（三点以下肯定成立）.如图1：添加辅助线（不相邻的点使其相邻,这样就增加了着色的色数,有利于证明）,将图1分解为4个△ABC.在平面图中的无数点中,任取相邻三点构成各点相邻的△ABC（见图2）,则需3种颜色A B C,在平面图中再任取一点 D 与 A B C 三点相邻,同时D又与A B C三点相连后形成三角形.任取一点E与 A、B、C、D四色相连,E必与四色之一色相同即E点在△ABD中与C色相同、在△ACD中与B色相同、在△BCD中与A色相同、在△ABC外与D色相同,E与另外三色相连形成新的三角形.在三角形的三点之外任取一点只有在三角形的内部和外部两种情况且这两种情况的点不会相邻,该点最多与三角形的三点相连且又形成新的三角形.继续选取一点进行着色,该点同样最多与三角形的三点相连且又形成新的三角形,该点至少为四色中的一色.逐点（第n点）着色至将所有点（第n+1点）着色只须A、B、C、D四色其中一色.图的着色方法：任意一张地图,将孤立的点用一种颜色着色（A色）,不能形成密闭图形的相连的点用两种颜色（A、B色）.将剩余的点不相连的用虚线使其相连形成许多三角形,完全不相连的图不进行相连.任取相连三点着三种颜色（A、B、C色）,再取与其相连的点,如果与A、B、C三色的点都相连着D色,否则着与其不相连的其中一色,用虚线相连的点可以用同一种颜色也可以用两种颜色,依次取与着色的点相连的点用以上方法进行着色.这样对所有的点进行着色最多用四色（A、B、C、D色）.

例3： 如何证明四色定理[语文练习题]

思路提示：

世界近代三大数学难题之一.四色猜想的提出来自英国.1852年,毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里(Francis Guthrie)来到一家科研单位搞地图着色工作时,发现了一种有趣的现象：“看来,每幅地图都可以用四种颜色着色,使得有共同边界的国家着上不同的颜色.”这个结论能不能从数学上加以严格证明呢?他和在大学读书的弟弟格里斯决心试一试.兄弟二人为证明这一问题而使用的稿纸已经堆了一大叠,可是研究工作没有进展.

1852年10月23日,他的弟弟就这个问题的证明请教他的老师、著名数学家德.摩尔根,摩尔根也没有能找到解决这个问题的途径,于是写信向自己的好友、著名数学家哈密尔顿爵士请教.哈密尔顿接到摩尔根的信后,对四色问题进行论证.但直到1865年哈密尔顿逝世为止,问题也没有能够解决.

1872年,英国当时最著名的数学家凯利正式向伦敦数学学会提出了这个问题,于是四色猜想成了世界数学界关注的问题.世界上许多一流的数学家都纷纷参加了四色猜想的大会战.1878～1880年两年间,著名的律师兼数学家肯普和泰勒两人分别提交了证明四色猜想的论文,宣布证明了四色定理,大家都认为四色猜想从此也就解决了.

11年后,即1890年,数学家赫伍德以自己的精确计算指出肯普的证明是错误的.不久,泰勒的证明也被人们否定了.后来,越来越多的数学家虽然对此绞尽脑汁,但一无所获.于是,人们开始认识到,这个貌似容易的题目,其实是一个可与费马猜想相媲美的难题：先辈数学大师们的努力,为后世的数学家揭示四色猜想之谜铺平了道路.

进入20世纪以来,科学家们对四色猜想的证明基本上是按照肯普的想法在进行.1913年,伯克霍夫在肯普的基础上引进了一些新技巧,美国数学家富兰克林于1939年证明了22国以下的地图都可以用四色着色.1950年,有人从22国推进到35国.1960年,有人又证明了39国以下的地图可以只用四种颜色着色；随后又推进到了50国.看来这种推进仍然十分缓慢.电子计算机问世以后,由于演算速度迅速提高,加之人机对话的出现,大大加快了对四色猜想证明的进程.1976年,在J. Koch的算法的支持下,美国数学家阿佩尔(Kenneth Appel)与哈肯(Wolfgang Haken)在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上,用了1200个小时,作了100亿判断,终于完成了四色定理的证明.四色猜想的计算机证明,轰动了世界.它不仅解决了一个历时100多年的难题,而且有可能成为数学史上一系列新思维的起点.

证明方法将地图上的无限种可能情况减少为1,936种状态（稍后减少为1,476种）,这些状态由计算机一个挨一个的进行检查.这一工作由不同的程序和计算机独立的进行了复检.在1996年,Neil Robertson、Daniel Sanders、Paul Seymour和Robin Thomas使用了一种类似的证明方法,检查了633种特殊的情况.这一新证明也使用了计算机,如果由人工来检查的话是不切实际的.

四色定理是第一个主要由计算机证明的理论,这一证明并不被所有的数学家接受,因为它不能由人工直接验证.最终,人们必须对计算机编译的正确性以及运行这一程序的硬件设备充分信任.

缺乏数学应有的规范成为了另一个方面；以至于有人这样评论“一个好的数学证明应当像一首诗——而这纯粹是一本电话簿!”

德•摩尔根：地图四色定理

地图四色定理最先是由一位叫古德里（Francis Guthrie）的英国大学生提出来的.德•摩尔根（A,DeMorgan,1806～1871）1852年10月23日致哈密顿的一封信提供了有关四色定理来源的最原始的记载.他在信中简述了自己证明四色定理的设想与感受.一个多世纪以来,数学家们为证明这条定理绞尽脑汁,所引进的概念与方法刺激了拓扑学与图论的生长、发展.1976年美国数学家阿佩尔（K.Appel）与哈肯（W.Haken）宣告借助电子计算机获得了四色定理的证明,又为用计算机证明数学定理开拓了前景.以下摘录德•摩尔根致哈密顿信的主要部分,译自J． Fauve1 and J.Gray（eds.）,The History of Mathematics ：A Reader,pp． 597～598.

德•摩尔根致哈密顿的信（1852年10月23日）

我的一位学生今天请我解释一个我过去不知道,现在仍不甚了了的事实.他说如果任意划分一个图形并给各部分着上颜色,使任何具有公共边界的部分颜色不同,那么需要且仅需要四种颜色就够了.下图是需要四种颜色的例子（图1）.现在的问题是是否会出现需要五种或更多种颜色的情形.就我目前的理解,若四个不订分割的区域两两具有公共边界线,则其中三个必包围第四个而使其不与任何第五个区域相毗邻.这事实若能成立,那么用四种颜色即可为任何可能的地图着色,使除了在公共点外同种颜色不会

（见附加图片）

现画出三个两两具有公共边界的区域ABC,那么似乎不可能再画第四个区域与其他三个区域的每一个都有公共边界,除非它包围了其中一个区域（图2）.但要证明这一点却很棘手,我也不能确定问题复杂的程度一对此您的意见如何呢?并且此事如果当真,难道从未有人注意过吗?我的学生说这是在给一幅英国地图着色时提出的猜测.我越想越觉得这是显然的事情.如果您能举出一个简单的反例来,说明我像一头蠢驴,那我只好重蹈史芬克斯①的复辙了…….

例4： 四色问题是如何证明的四色问题的内容是：“任何一张地图只用四种颜色就能使具有共同边界的国家着上不同的颜色.”用数学语言表示,即“将平面任意地细分为不相重迭的区域,每一个区域

思路提示：

暂时还没有其他的办法,如果有也只能是假设法,但是计算机也是用的假设法啊,据说他们把这些情况分1482种情况检查,在计算机上历时1200个小时,作了100亿个判断,才最终证明了四色定理.

相关思考练习题：

题1：有哪些著名的猜想？

点拨：一、四色猜想 世界近代三大数学难题之一。四色猜想的提出来自英国。1852年，毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时，发现了一种有趣的现象：“看来，每幅地图都可以用四种颜色着色，使得有共同边界的国家着上不同的颜...

题2：四色猜想是什么？

点拨：四色猜想是一个著名的数学定理，通俗的说法是：每个平面地图都可以用不多于四种颜色来染色，而且没有两个邻接的区域颜色相同。 比如运用这个猜想，在行政区划地图上只用四种颜色就可以分开各行政区划。

题3：四色猜想是谁提出？

点拨：【四色猜想的提出】最早提出这个猜想的，是格斯里（FrancisGuthrie）。1852年，毕业于伦敦大学的格斯里来到一家科研单位搞地图着色工作时，发现每幅地图都可以只用四种颜色着色。这个现象能不能从数学上加以严格证明呢？他和他正在读大学的弟弟...

题4：什么是“四色猜想”，是由谁提出的？

点拨：四色猜想“任何一张地图只用四种颜色就能使具有共同边界的国家着上不同的颜色。”用数学语言表示，即“将平面任意地细分为不相重叠的区域，每一个区域总可以用1，2，3，4这四个数字之一来标记，而不会使相邻的两个区域得到相同的数字。”这里所指的...

题5：世界三大数学猜想是什么

点拨：四色猜想（三大数学难题之三） 世界近代三大数学难题之一。四色猜想的提出来自英国。1852年，毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时，发现了一种有趣的现象：“看来，每幅地图都可以用四种颜色着色，使得有共同边界的...