Кіріспе

Геометриялық графтар теориясында Хадвигер-Нельсон проблемасы, Хьюго Хадвигер мен Эдвард Нельсонның есімдерімен аталады. Бұл проблема, жазықтықты мұрағаттау үшін қажетті ең аз түс санын анықтауды талап етеді, осылайша бір-бірінен 1 бірлік қашықтықтағы екі нүкте бір түске боялмауы керек. Жауабы әлі белгісіз, бірақ 5, 6 немесе 7 санының біріне дейін тарылтылды. Нақты мән, жиын теориясының аксиомаларын таңдауға байланысты болуы мүмкін.

Шекті графиктермен байланысы

Сұрақ граф теориясы тұрғысынан келесідей қойылуы мүмкін. G – жазықтықтың бірлік қашықтықтағы графы: жазықтықтың барлық нүктелері төбелер болып табылатын және екі төбе арасында жиек болатын шексіз граф, егер және тек қана егер екі нүктенің арақашықтығы 1-ге тең болса. Хадвигер-Нелсон мәселесі – G графының хроматикалық санын табу. Осының салдарынан, бұл мәселе көбінесе "жазықтықтың хроматикалық санын табу" деп аталады. Де Брюйн-Эрдос теоремасы бойынша, нәтижесінде, бұл мәселе (таңдау аксиомасының дұрыстығын қабылдағанда) шекті бірлік қашықтықтағы графтың ең үлкен мүмкін хроматикалық санын табуға эквивалентті.

Тарих

Нельсон 1950 жылы бұл мәселені алғаш рет қойған, ал одан бұрын жарияланған бес конгруентті жабық жиынмен жазықтықты жабатын кез келген жабынның бірінде бірлік қашықтық болатынын көрсеткен зерттеуші осыған қатысты нәтижені жариялаған. Ол кейінірек жариялаған мақаласында да мәселеге тоқталған. Осы мәселені және оның тарихын кеңінен зерттеген жұмыстар бар. Мәселенің бір қолданысы оны Бекман-Кварль теоремасымен байланыстырады, соған сәйкес евклид жазықтығының (немесе кез келген жоғары өлшемді кеңістіктің) бірлік қашықтықты сақтайтын кез келген бейнелеуі барлық қашықтықты сақтайтын изометрия болуы керек. Бұл кеңістіктердің дискретті түспен бояулары қашықтықты сақтайтын, бірақ изометрия емес, жоғары өлшемді кеңістікке бейнелеу құру үшін қолданылуы мүмкін. Мысалы, евклид жазықтығын жеті түспен бояу арқылы алты өлшемді кеңістікке бейнелеуге болады, мұнда бірлік қашықтықтағы екі нүкте бір түске ие болмайды, содан кейін нүктелерді түстеріне сәйкес бірлік ұзындығы бар алты өлшемді тұрақты симплекстің жеті төбесіне бейнелеуге болады. Бұл бірлік қашықтықтағы кез келген екі нүктені әртүрлі түстерге, содан кейін симплекстің бірлік қашықтықтағы бөлек төбелеріне бейнелейді. Дегенмен, ол қалған барлық қашықтықты нөлге немесе бірге бейнелейді, сондықтан ол изометрия емес. Егер жазықтықты бояу үшін қажетті түстердің санын жетіден азайтуға болатын болса, осы құрылымдағы мақсатты кеңістіктің өлшемдерін де сол пропорцияда азайтуға болады.

Төменгі және жоғарғы шектер

Ұшақтың хроматикалық саны кем дегенде төрт болуы керек деген факті, хроматикалық саны төрт болатын жеті төбелі бірлік арақашықтық графының бар екендігінен туындайды. Бұл граф 1961 жылы Уильям және Лео Мозер ағайындылары тапқандықтан, Мозер шпинделі деп аталады. Граф екі бірлік теңқабыршалы үшбұрыздан тұрады, олар ортақ төбесі x арқылы қосылған. Осы үшбұрыштардың әрқайсысы тағы бір қабырғасы арқылы басқа теңқабыршалы үшбұрызға жалғастырылған; осы жалғастырылған үшбұрыздардың y және z төбелері бірлік арақашықтықта орналасқан. Егер жазықтықты үш түспен бояу мүмкін болса, үшбұрыштар ішіндегі түстің тағайындалуы y және z төбелерінің x төбесімен бірдей түске ие болуын талап етеді, бірақ y және z бірлік арақашықтықта болғандықтан, жазықтықтың бірлік арақашықтық графының дұрыс боялуына қол жеткізілмейді. Сондықтан, осы графты және оны қамтитын жазықтықты бояу үшін кем дегенде төрт түс қажет. Сол шамада Соломон В. Голомб 10 төбелі төрт хроматикалық бірлік арақашықтық графы – Голомб графының альтернативті төменгі шегін тапты. 2018 жылы компьютерлік ғалым және геронтолог Обри де Грей 1581 төбелі, 4 түспен боялмайтын бірлік арақашықтық графы тапқанда төменгі шек беске дейін көтерілді. Дәлел компьютерлік көмекпен жасалды. Математик Гил Калай және компьютерлік ғалым Скотт Ааронсон де Грейдің табысы туралы талқылады, Ааронсон SAT шешілгіштерін пайдаланып де Грейдің нәтижесін тәуелсіз тексергенін хабарлады. Калай Джордан Элленберг пен Ноам Элкистің қосымша жазбаларына сілтеме жасады, ал Элкис және (жекелеген) де Грей де Грейдің құрылымындағыдан аз төбелері бар 4 түспен боялмайтын бірлік арақашықтық графтарын табу үшін Polymath жобасын ұсынды. 2021 жылғы мәліметтер бойынша, хроматикалық саны 5 болатын ең кішкентай белгілі бірлік арақашықтық графы 509 төбелі. Polymath жобасының бетінде қосымша зерттеулер, медиа сілтемелері және тексеру деректері бар. Хроматикалық санның жетіге дейінгі жоғарғы шегі, диаметрі бірден сәл кем болатын тұрақты алтыбұрыштармен жазықтықтың мозаикалық жабылуының болуынан туындайды, оған қайталама үлгіде жеті түс тағайындалса, жазықтықтың 7 түсті бояуына қол жеткізіледі. Бұл жоғарғы шек алғаш рет Джон Р. Исбелл байқаған.

Вариациялар

Мәселені жоғары өлшемдерге оңай кеңейтуге болады. 3 өлшемді кеңістіктің хроматикалық санын табу ерекше қызығушылық тудыратын мәселе. Жазықтағыдай, жауап белгісіз, бірақ кемінде 6 және ең көп дегенде 15 екені көрсетілген. Мәселенің n өлшемді жағдайында, n өлшемді кубтарды мозаикалау арқылы алынған қажетті түстер санының жоғарғы шегі қарапайымдардан алынған төменгі шегі — . Moser тікенегінің обобщениесін қолдана отырып, төменгі шек бар: бір жағынан нүктемен, екінші жағынан түзумен біріктірілген екі қарапайымды бір-біріне жабыстырылған объектілердің жұбы. 1981 жылы Франкл мен Уилсон экспоненциалды төменгі шек дәлелдеді. Сондай-ақ, әрбір түстің нүктелер жиыны белгілі бір типтегі жиынмен шектелген жазықтықтың түстеуін қарастыруға болады. Мұндай шектеулер қажетті түстердің санын арттыруы мүмкін, себебі олар кейбір түстеулерді қабылдауға кедергі келтіреді. Мысалы, егер жазықтықтың түстеуі Иордан қисықтарымен шектелген аймақтардан тұрса, онда кемінде алты түс қажет.