Кіріспе
Геометриялық ұғым
Геометрияда математикалық кеңістіктің өбу саны – бұл берілген кеңістікте орналастырылатын, бір-бірімен қабыспайтын бірлік сфералардың ең көп саны, олардың әрқайсысы ортақ бірлік сфераға жанасады. Берілген кеңістіктегі сфералардың (сфералардың орналасуы) жинағы үшін, әрбір жеке сфера үшін оған жанасқан сфералардың саны ретінде де өбу санын анықтауға болады. Тұрақты жинақта өбу саны әр сфера үшін бірдей, бірақ кездейсоқ жинақта өбу саны бір сферадан екіншісіне өзгеруі мүмкін. Өбу санының басқа да атаулары – Ньютон саны (проблеманың бастаушысының атымен) және жанасу саны. Жалпы, өбу саны мәселесі (n + 1) өлшемді Евклид кеңістігіндегі n өлшемді сфералар үшін мүмкін болатын ең жоғарғы өбу санын табуға бағытталған. Қалыпты сфералар үш өлшемді кеңістіктегі екі өлшемді жабық беттерге сәйкес келеді. Сфералардың орталықтары түзуге (бір өлшемді жағдай) немесе жазықтыққа (екі өлшемді жағдай) шектелген кезде, өбу санын табу оңай. Үш өлшемді жағдайдың шешімін дәлелдеу, физикалық әлемде ұғынуға және модельдеуге оңай болғанына қарамастан, 20-шы ғасырдың ортасына дейін математиктерге көңіл бөлмеді.
In geometry, the kissing number of a mathematical space is defined as the greatest number of non overlapping unit spheres that can be arranged in that space such that they each touch a common unit sphere. For a given sphere packing (arrangement of spheres) in a given space, a kissing number can also be defined for each individual sphere as the number of spheres it touches. For a lattice packing the kissing number is the same for every sphere, but for an arbitrary sphere packing the kissing number may vary from one sphere to another. Other names for kissing number that have been used are Newton number (after the originator of the problem), and contact number. In general, the kissing number problem seeks the maximum possible kissing number for n dimensional spheres in (n + 1) dimensional Euclidean space. Ordinary spheres correspond to two dimensional closed surfaces in three dimensional space. Finding the kissing number when centers of spheres are confined to a line (the one dimensional case) or a plane (two dimensional case) is trivial. Proving a solution to the three dimensional case, despite being easy to conceptualise and model in the physical world, eluded mathematicians until the mid 20th century.
Үш өлшемді
Үш өлшемде, өбісу саны 12-ге тең, бірақ дұрыс мәнді анықтау бір және екі өлшемдерге қарағанда әлдеқайда қиын болды. 12 шарды әрқайсысы орталық шарға жанасатын етіп орналастыру оңай, бірақ 13-ші шарды сыйыстыру мүмкін емес екені анық емес. (Шындығында, артық кеңістік соншалық, 12 сыртқы шардың кез келген екеуі ортадағы шармен байланысын үзбей, үздіксіз қозғалыс арқылы орын алмаса алады.) Бұл Исаак Ньютон мен Дэвид Грегори математиктері арасындағы әйгілі даудың тақырыбы болды. Ньютон лимит 12 екенін дұрыс болжады, ал Грегори 13-ші шардың сыятынын ойлады. Ньютонның дұрыс екендігіне қатысты толық емес дәлелдер 19 ғасырда ұсынылды, олардың ең танымал авторы Рейнхольд Хоппе болды, бірақ алғашқы толық дәлел (Брасс, Мозер және Пахтың пікірінше) 1953 жылға дейін жарияланбады. Орталық шардың он екі көршісі – барлық атомдары бірдей өлшемдегі (мысалы, химиялық элементтегідей) кристалл торындағы атомның максималды координациялық санына сәйкес келеді. 12 координациялық саны кубтық немесе гексагондық тығыз құрылымдарда кездеседі.
Үлкен өлшемдері
Төрт өлшемде, жауап 24 немесе 25 болатыны біраз уақыттан бері белгілі еді. Орталық сфераның айналасында 24 сферадан тұратын жиынтықты жасау оңай (сфераларды шығу тегіне орайласқан, тиісті масштабталған 24 ұяшықтың төбелеріне орналастыруға болады). Үш өлшемді жағдай сияқты, бұл жерде де көп бос орын қалды – тіпті n = 3-ке қарағанда көбірек, сондықтан жағдай одан да нашар түсінікті болды. 2003 жылы Олег Мусин n = 4 үшін өбелу саны 24 екенін дәлелдеді. n > 4 үшін өбелу саны белгісіз, тек n = 8 (мұнда өбелу саны 240) және n = 24 (мұнда ол 196 560) үшін ғана белгілі. Бұл өлшемдердегі нәтижелер жоғары симметриялы торлардың болуынан туындайды: E8 торы және Лич торы. Егер орналасулар торлық орналасулармен ғана шектелсе, яғни сфералардың орталықтары тордың нүктелерінде жатса, онда бұл шектелген өбелу саны n = 1-ден 9-ға дейін және n = 24 өлшемдер үшін белгілі. 5, 6 және 7 өлшемдер үшін қазірге дейін табылған ең жоғары өбелу саны бар орналасу – оптималды торлық орналасу, бірақ одан да жоғары өбелу саны бар тор емес орналасудың болуы жоққа шығарылмаған.
Алгоритмдер
Кесісу графиктерінде шамалау қатынасы үбейтін санға тәуелді болатын бірнеше жуықтау алгоритмдері бар. Мысалы, бұрылған бірлік шаршылар жиынының өзара қиыспайтын ең ірі ішкі жиынын табуға арналған полиномиалдық уақытта жұмыс істейтін 10 есе жуықтау алгоритмі бар.
a polynomial time 10 approximation algorithm to find a maximum non intersecting subset of a set of rotated unit squares.
Математикалық мәлімдеме
Өбiру саны проблемасы теңсіздіктер жиынтығының шешімі ретінде қойылуы мүмкін. Сфералардың орталықтарының N, D өлшемді позициялық векторларының жиынтығы болсын. Бұл сфералар жиынтығының ортаңғы сфераның айналасында бір-біріне жабыспай орналасу шарты мынадай: Осылайша, әр өлшемдегі мәселе нақты сандардың экзистенциалдық теориясында қарастырылуы мүмкін. Дегенмен, осы формадағы мәселені шешудің жалпы әдістері кем дегенде экспоненциалдық уақытты қажет етеді, сондықтан бұл мәселе тек төрт өлшемге дейін ғана шешілді. Қосымша айнымалыларды қосу арқылы, оны N(N–1)/2 + DN айнымалыдағы бір төртінші теңдеуге келтіруге болады: Сондықтан, D = 5 өлшемде және N = 40 + 1 векторлары үшін мәселені шешу, 1025 айнымалыдағы төртінші көпмүшелікте нақты шешімдердің бар екенін анықтауға тең. D = 24 өлшем және N = 196560 + 1 үшін, төртінші теңдеуде 19 322 732 544 айнымалы болады. Алыс геометрия тұрғысынан баламалы тұжырымдама, m-інші және n-інші сфералар арасындағы қашықтықтардың квадраты арқылы беріледі: Бұл, D өлшемдерінде (D + 1) симплекс құрайтын кез келген нүктелер жиынтығы үшін Кейли–Менгер детерминантының нөлге тең болуы керек деген шартпен толықтырылуы тиіс, себебі бұл көлем нөлге тең болуы керек. y-ді орнатқанда, тек нақты мәндер үшін ғана шешілуі тиіс бірнеше бір уақыттағы көпмүшелік теңдеулер жиынтығы алынады. Бұл екі әдіс толықтай эквивалентті болғандықтан, әртүрлі қолданыстарға ие. Мысалы, екінші жағдайда y-дің мәндерін кездейсоқ түрде аз мөлшерде өзгертіп, y-ге қатысты көпмүшелікті азайтуға тырысуға болады.
Thus the problem for each dimension can be expressed in the existential theory of the reals. However, general methods of solving problems in this form take at least exponential time which is why this problem has only been solved up to four dimensions. By adding additional variables, this can be converted to a single quartic equation in N(N − 1)/2 + DN variables:
Therefore, to solve the case in D = 5 dimensions and N = 40 + 1 vectors would be equivalent to determining the existence of real solutions to a quartic polynomial in 1025 variables. For the D = 24 dimensions and N = 196560 + 1, the quartic would have 19,322,732,544 variables. An alternative statement in terms of distance geometry is given by the distances squared between the mth and nth sphere:
This must be supplemented with the condition that the Cayley–Menger determinant is zero for any set of points which forms a (D + 1) simplex in D dimensions, since that volume must be zero. Setting gives a set of simultaneous polynomial equations in just y which must be solved for real values only. The two methods, being entirely equivalent, have various different uses. For example, in the second case one can randomly alter the values of the y by small amounts to try to minimise the polynomial in terms of the y.