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对四色问题的独特探讨

2008-05-14 来源:中华读书报 作者:张景中(中国科学院院士) 我有话说

我高兴地阅读了《图说四色问题》的书稿,认为该书稿是一部具有原创性的科普佳作,适合中学生、大学生、研究生,数学教师和数学爱好者阅读。

四色问题是一个世界著名数学难题。对它感兴趣甚至迷恋的大有人在。在各种教材与专著里以及数学普及读物里,往往都会讲到它。遗憾的是,一般除简单历史介绍外,大多

数都注重四色定理的各种等价命题的解说,以及四色定理机器证明方法的讲解,更具体实在的就很少涉及了。本书尽管篇幅不大,但内容独具特色。它基本上没有罗列四色定理的各种等价命题,对四色定理机器证明仅有数百字介绍,而主要是对一些简单例图及四色问题历史上的著名例图,给出较为丰富的、直观的、具体四着色结果,包括大量图形、表格。各种图、表和对这些图、表的解说构成本书主体。这种安排显著降低了阅读难度,对多数读者来说,更加通俗、直观、生动。

在长达一个半世纪的进程中,有众多知名数学家投身于四色问题。四色问题现今有数十种变体、等价说法和各种推广。但四色猜想本身的研究却进展缓慢。1976年美国数学家给出了四色定理的计算机证明,其基本证明思路“可约构形不可避免集合”的检验,仍然不容易用简单通俗的语言说得十分清楚明白。再者,由于传统的用纸、笔研究数学方法的局限,使十来个点的图(十来个国家的地图)的完整四着色分析,用手工的办法难于进行。一百多年来大量论文和四五十年来的不少专著、教材里,难于看到着了四种颜色的非平凡例图。这反映出人们对四色问题的认识还很初步,对具体图的四着色属性还知之甚少。这些使得四色问题的普及带有源于自身的固有困难。本书的新意,不完全是由于作者叙述、表达方面的写作技巧,而是由于作者在十多年潜心研究中处理了大批例图,获得丰富的、第一手原始基础资料。作者利用自己研究所得第一手资料,把四色难题的种种概念做了深入浅出、直观具体的表述,使得抽象、繁难的问题向简单、通俗跨了一大步。

本书中的素材主要来自作者自己的研究。作者处理的例图较为系统、完整(包括各已知著名例图和最小的四连通极大平面图、五连通极大平面图),例图的加工、处理较为细致、深入,所得第一手资料较为丰富。这些素材是其他专著及普及读物里现在还见不到的。因而本书有突出的原创性特点。

对于一般数学的求解问题,特别是组合数学的求解问题,通常要顺次地研讨:问题有没有解;解是惟一的还是批量的;惟一性证明或全部解的数量和结构性质;与批量解结构相关的不变量;解的性质与该问题其他相关属性的关联等等。四色问题长期以来,主要还在研讨有没有解的问题。至于有怎样的解,解的属性和结构,四着色和其他属性的关联,还都极少涉及。本书中,作者精选了自己十多年研究的部分结果,做了通俗化介绍。这里包括:求出部分解;由单个解求出可由它经过二色变换得到的众多解(由根四着色生成四着色树);算出一个图的全部四着色总数并具体算出全部四着色解;四着色不变量的发现和论证;四着色类型与哈米尔顿性关系等等;相当直观、通俗地讲述了这些较为系统的新结果。许多图表作为四色问题的基础材料,对读者增加知识也有很大帮助,也是许多读者、特别是数学爱好者都感兴趣的。

作者联系着四色问题的历史,依据自己研究工作的进程,细致、具体地描述了四色问题的种种迷人之处和一些重要进展的由来。作者恰当地采用功能强大的电脑和数学软件为工具,认真地、脚踏实地地进行原始资料(集中于批量例图的具体四着色)的发掘、搜集。具体展示了这个过程的概貌并努力引导读者一起观察、分析、探索,共享发现的乐趣。书稿里逻辑证明很少,并都十分初等、简单,主要是基于平面图欧拉公式的多元一次式的简单变换。简单、初等的方法能导出一些有价值的新结果,作者自认为是电脑和软件的作用。作者把这和伽利略用望远镜发现月球上的环型山相比较,用以说明:合理的科学方法、研究工具和老实的科学态度最为重要。

现今在广大数学爱好者中,有些人偏于急躁求成,不安心于踏实、细致的工作,盲目、轻率地发动对数学难题的攻坚。有些人稍有所获,就宣称自己有了重大发现、重大贡献,甚至轻率否定学界公认的已有结果。比较起来,本书作者十多年里默默无闻,脚踏实地,耐心、细致地“做例子”,积累基本事实材料;在对丰富材料的观察中力争有所发现,有所前进。这对爱好科学的读者们,会有积极的影响和启发。

《图说四色问题》,许寿椿著,北京大学出版社2008年1月第一版,35.00元

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