經典證明 能否在平面上寫下不可數個不相交的Y

2021-05-23 10:56:32 字數 1398 閱讀 9254

證明方法非常簡單。對於任意乙個 8 字形,在兩個洞裡各取乙個有理點 p 、 q (由於平面上的有理點是稠密的,這是總能辦到的),則稱這個 8 字形圈住了有理點對 (p, q) 。注意到由於 8 字形不能相交,因此兩個 8 字形不可能圈住同一對有理點。

由於平面上的有理點對是可數的,因此 8 字形的數量也是可數的。

注意到,平面上顯然能夠容下不可數個不相交的直線段,也顯然能夠容下不可數個不相交的圓(比方說一系列同心圓)。在 mathematical puzzles 一書裡, peter winkler 提出了這樣乙個問題:我們能在平面上寫下不可數個不相交的字母 y 嗎?

答案是否定的。下面有乙個漂亮的證明,這是由 randy dougherty 給出的。讓我們先來看乙個經典結論:

假設平面上有三個紅點和三個藍點,那麼我們絕不可能用線條把每乙個紅點和每乙個藍點都連起來,並且保證這 9 根線條互不相交(即使線條可以彎曲也不行,不信的話你可以試一試)。從圖論的角度來說,就是完全二分圖 k3,3 不是乙個平面圖。利用 euler 公式我們可以很快證明這一點:

把乙個平面圖的頂點數、邊數和區域數(包括最外面那個無限大的區域)分別記為 v 、 e 、 f ,則 euler 公式告訴我們 f = e - v + 2 。由於每條邊都同屬於兩個區域,因而所有區域的平均邊數為 2e / f 。在完全二分圖 k3,3 中有 6 個頂點和 9 條邊,若它是乙個平面圖,則它應該有 9 - 6 + 2 = 5 個區域,於是每個區域平均擁有 18/5 條邊。

這說明該圖中至少存在乙個邊數小於 4 的區域,但對於乙個二分圖來說這是不可能的。

我們把乙個 y 看作是由乙個中心點、三個手臂和三個端點構成的。現在,對於平面上的每乙個 y ,我們都給它畫出三個有理圓(圓心的兩座標和半徑的長度都是有理數),讓每個圓都圈住 y 的其中乙個端點,並且不包含 y 的另外兩臂。注意到,平面上的有理點是稠密的,半徑的長度也可以任意小,因此這總是能辦到的。

不過,這些有理圓完全有可能和別的 y 相交,也有可能和別的有理圓相交。我們甚至不能排除這樣的情況:其中乙個 y 的某個有理圓和另乙個 y 的某個有理圓是同乙個有理圓!

不過,下面我們會給大家證明,三個不相交的 y 絕不可能擁有同一組有理圓。

如圖,假設三個 y 對應了同一組圓。我們修改每乙個 y 的每一條臂,讓它在碰到有理圓後直接連線到這個圓的圓心。現在,把三個圓心染成紅色,把三個 y 的中心點染成藍色,則這 9 條(修改後的)手臂就連線了所有可能的紅藍點對。

然而,前面我們已經說過, k3,3 不可能是乙個平面圖。因此,這三個 y 必然會相交。

由於平面上的有理圓是可數的,因而平面上不相交的 y 也必然是可數的。

值得一提的是,我們這裡證明的是乙個相當強的結論:對於所有含有交叉點或者分岔點的圖形,它在平面上都只能畫出可數個(如果不允許相交的話)。這不但可以直接推出平面上不相交的 8 字形是可數的,事實上不相交的 4 或者 6 或者 9 也都只能是可數的。

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