[爆卦] Toeplitz猜想(內接矩形難題)被證明了
1911年德國數學家Otto Toeplitz提出一個猜想:任一封閉曲線上必定能找到一個正方形的
4個頂點。這個猜想很容易描述但是百年來沒人能夠證明。
1970年代時,Herbert Vaughan提出了矩形新觀點以證明該猜想的矩形版本:若有兩對頂點,
每對的連線等長且中點為同一點,則這兩對頂點可構成矩形。如果在封閉曲線如莫比烏斯環
上都能找到具有此特性的成對頂點,就能證明封閉平滑曲線必含能形成任何長寬比矩形的頂點。
去年普林斯頓大學研究生 Cole Hugelmeyer提出新方法分析Vaughan的莫比烏斯環:將曲線
上的點以四維座標表示-前兩個座標為成對頂點的中點座標,第三個座標為成對頂點的直線
距離,第四個座標為成對頂點連線與x軸的夾角。如此就能將莫比烏斯環嵌入四維空間。
Cole接著在四維空間旋轉莫比烏斯環,原本的環和旋轉後的環的交會點跟矩形的四頂點等價
。透過此方法,Cole證明1/3的莫比烏斯環旋轉可以產生此種交會點-換句話說:在封閉曲線
上可以找到所有可能矩形的1/3。
https://arxiv.org/pdf/2005.09193.pdf
為了證明剩下的2/3,數學家Joshua Greene和Andrew Lobby在今年疫情在家隔離期間連線討
論,他們想到了扭對稱幾何的著名範例-克萊茵瓶(在空間中與自己相交)。因為兩個相交的
莫比烏斯環等價於一個克萊茵瓶,如果旋轉的莫比烏斯環和原本的環不相交,那麼就會生出
一個不和自己相交的克萊茵瓶-然而這在四維扭對稱空間中不可能發生,因此任何莫比烏斯
環旋轉都會和自己相交,換句話說,任何封閉平滑曲線上必定可以找到一組可以形成任何長寬比的矩
形的四個頂點。至此,他們終於完成了證明。
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