正文
从匈牙利波兹索尼
(现斯洛伐克首都布拉迪斯拉发)
迁居到了丹麦的哥本哈根,并在1921年发表了相关证明,确认高为1的等边三角形就是满足挂谷条件的面积最小的凸形。
等边三角形就是满足挂谷条件的面积最小的凸形。| 图源:《不可思议:有悖直觉的难题及其令人惊叹的解答》,第13章
资助鲍尔定居哥本哈根的是数学家哈拉尔·玻尔
(Harald Bohr)
——物理学家、量子理论先驱尼尔斯·玻尔
(Niels Bohr)
之弟。极有可能正是这位数学家玻尔向鲍尔介绍了挂谷的转针谜题。
另一方面,挂谷和早期研究者猜测,对于非凸的图形,答案指向三尖瓣线。它是内摆线家族中的一个特殊成员。不过不久之后,人们就意识到还有面积更小的图形。
三尖瓣线丨图源:Kakeya set - Wikipedia
同样在1917年,来自俄罗斯的数学家艾伯拉姆·贝西科维奇
(Abram Besicovitch)
解决了一个看似不同的问题。颇具巧合意味的是,贝西科维奇同样前往丹麦寻求研究职位,而他的主要资助者也是哈拉尔·玻尔。
又过了好几年,贝西科维奇才听说了挂谷那个“具有引人入胜的表述直观性”的谜题,并且提供了一个完全不同寻常、完全出人意料的解答。
1917年,贝西科维奇当时在思考下面的黎曼积分问题:
假如在平面上有一个黎曼可积的函数f,那么是否必定存在着一个直角坐标系(x,y),使得对于每一个固定的y,f(x,y)作为以x为变量的函数黎曼可积,并且f的二次积分就等于重积分∫∫f(x, y)dxdy?
贝西科维奇为了回答上述问题,构建了这样一个集合:
一个包含了指向所有方向的单位线段,但面积
(严格来说是勒贝格测度)
为0的图形。
这个集合被命名为贝西科维奇集
(Besicovitch set)
。因为这种线段集合的存在,所以上述问题的答案是
否定的
。
今天站在后来人的视角,可以看出这个问题本质上是对实分析中的重要定理——Fubini定理的探索和挖掘。然而数学的魅力往往就在于它的出人意料,在贝西科维奇集上应用所谓
的“鲍尔连接”(前文提过的那位鲍尔)
,竟然可以证明,挂谷转针问题的答案是:不存在一个面积最小的图形,因为针扫过的面积可以任意地接近于0。
如此一来,殊途同归,分析学上的积分问题就和平面上的几何问题建立起奇妙的联系,贝西科维奇集也因此被称为挂谷集
(Kakeya set)
。
此外值得一提的是,网络上常见的科普文章,以及一些出版物会犯一个错误。很多人误以为面积为0的贝西科维奇集的存在性本身,可以直接推出“针扫过的最小面积可以是0”这一结论。但是,把指向所有方向的针直接摆放到一起得到的图形,和把一根针连续旋转180°扫过的图形是两码事。实际上,针无法从贝西科维奇集里的一个位置连续地变到另一位置,且使扫过的面积是0。所以才需要“鲍尔连接”的技巧,同时,结论是针扫过的面积可以任意小,但并非为0。
在实数中,对象可能非常接近零,但实际上却不是零。不知何故,这就是技术的症结所在。
——约书亚·扎尔(不列颠哥伦比亚大学)
构造贝西科维奇集的方法有很多,最经典的是被称为“佩龙树”的技巧,它能够简化贝西科维奇的原始构造,以奥斯卡·佩龙
(Oskar Perron)
命名。
想象一个高为1的等边三角形
(还记得这种三角形是最小的满足挂谷问题的凸形吗)
,把它平分,再把两个直角三角形稍微叠在一起,如下图。这个新图形面积比三角形小,但在其中,上面两个尖角的每个角内都能找出长度≥1的线段。
现在重新开始,把三角形平均分为 8 个,把它们两两叠在一起,再两两叠在一起,这种图形就叫作佩龙树。如果重复这个步骤,把三角形分为 16 个,32 个,……, 2
n
个,显然整个图形的面积可以越来越小,并且可以证明随着步骤增长,图形面积无限趋近于0。