नया प्रमाण चिपचिपी ज्यामिति समस्या पर सुई में धागा डालता है | क्वांटा पत्रिका

1917 में, जापानी गणितज्ञ सोइची काकेया ने वह प्रस्तुत किया जो पहले तो ज्यामिति में एक मज़ेदार अभ्यास से अधिक कुछ नहीं लग रहा था। एक सपाट सतह पर एक असीम रूप से पतली, इंच लंबी सुई रखें, फिर इसे घुमाएं ताकि यह बारी-बारी से हर दिशा की ओर इशारा करे। वह कौन सा सबसे छोटा क्षेत्र है जिसे सूई पार कर सकती है?

यदि आप इसे इसके केंद्र के चारों ओर घुमाएंगे, तो आपको एक वृत्त मिलेगा। लेकिन आविष्कारी तरीकों से सुई को घुमाना संभव है, ताकि आप बहुत कम जगह बना सकें। गणितज्ञों ने तब से इस प्रश्न का एक संबंधित संस्करण प्रस्तुत किया है, जिसे काकेया अनुमान कहा जाता है। इसे हल करने के अपने प्रयासों में, उन्होंने हार्मोनिक विश्लेषण, संख्या सिद्धांत और यहां तक ​​कि भौतिकी से आश्चर्यजनक संबंध उजागर किए हैं।

"किसी तरह, कई अलग-अलग दिशाओं की ओर इशारा करने वाली रेखाओं की यह ज्यामिति गणित के एक बड़े हिस्से में सर्वव्यापी है," कहा जोनाथन हिकमैन एडिनबर्ग विश्वविद्यालय के.

लेकिन यह भी कुछ ऐसा है जिसे गणितज्ञ अभी भी पूरी तरह से नहीं समझ पाए हैं। पिछले कुछ वर्षों में, उन्होंने काकेया अनुमान की विविधताएँ सिद्ध की हैं आसान सेटिंग्स में, लेकिन सामान्य, त्रि-आयामी अंतरिक्ष में यह प्रश्न अनसुलझा है। कुछ समय के लिए, ऐसा लगा मानो सारी प्रगति अनुमान के उस संस्करण पर रुक गई है, भले ही इसके कई गणितीय परिणाम हों।

अब, दो गणितज्ञों ने सुई को घुमाया है, ऐसा कहा जा सकता है। उनका नया सबूत एक बड़ी बाधा पर प्रहार करता है जो दशकों से कायम है - यह उम्मीद फिर से जगी है कि अंततः कोई समाधान दिख सकता है।

छोटी डील क्या है?

काकेया को विमान में ऐसे सेटों में दिलचस्पी थी जिसमें हर दिशा में 1 लंबाई का एक रेखा खंड होता है। ऐसे सेटों के कई उदाहरण हैं, सबसे सरल 1 के व्यास वाली डिस्क है। काकेया जानना चाहते थे कि ऐसा सबसे छोटा सेट कैसा दिखेगा।

उन्होंने एक त्रिभुज का प्रस्ताव रखा जिसकी भुजाएँ थोड़ी-सी धँसी हुई थीं, जिसे डेल्टॉइड कहा जाता है, जिसमें डिस्क का आधा क्षेत्रफल होता है। हालाँकि, यह पता चला कि बहुत कुछ बेहतर करना संभव है।

1919 में, काकेया द्वारा अपनी समस्या प्रस्तुत करने के कुछ ही साल बाद, रूसी गणितज्ञ अब्राम बेसिकोविच ने दिखाया कि यदि आप अपनी सुइयों को एक विशेष तरीके से व्यवस्थित करते हैं, तो आप एक कांटेदार दिखने वाला सेट बना सकते हैं जिसका क्षेत्रफल मनमाना छोटा हो। (प्रथम विश्व युद्ध और रूसी क्रांति के कारण, उनका परिणाम कई वर्षों तक शेष गणितीय दुनिया तक नहीं पहुंच सका।)

यह देखने के लिए कि यह कैसे काम कर सकता है, एक त्रिकोण लें और इसे इसके आधार के साथ पतले त्रिकोणीय टुकड़ों में विभाजित करें। फिर उन टुकड़ों को चारों ओर स्लाइड करें ताकि वे जितना संभव हो सके ओवरलैप हो जाएं लेकिन थोड़ा अलग दिशाओं में उभरे हुए हों। प्रक्रिया को बार-बार दोहराकर - अपने त्रिकोण को पतले और पतले टुकड़ों में विभाजित करके और ध्यान से उन्हें अंतरिक्ष में पुनर्व्यवस्थित करके - आप अपने सेट को जितना चाहें उतना छोटा बना सकते हैं। अनंत सीमा में, आप एक ऐसा सेट प्राप्त कर सकते हैं जिसका गणितीय रूप से कोई क्षेत्र नहीं है लेकिन फिर भी, विरोधाभासी रूप से, किसी भी दिशा में इंगित करने वाली सुई को समायोजित कर सकता है।

"यह एक तरह से आश्चर्यजनक और उल्टा है," कहा रुइक्सियांग झांग कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के। "यह एक ऐसा सेट है जो बहुत ही पैथोलॉजिकल है।"

इस परिणाम को उच्च आयामों के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है: मनमाने ढंग से छोटी मात्रा के साथ एक सेट का निर्माण करना संभव है जिसमें प्रत्येक दिशा में इंगित करने वाली एक इकाई रेखा खंड शामिल हो n-डिमेटिक स्पेस।

ऐसा लग रहा था कि बेसिकोविच ने काकेया के प्रश्न को पूरी तरह हल कर दिया है। लेकिन दशकों बाद, गणितज्ञों ने समस्या के दूसरे संस्करण पर काम करना शुरू किया जिसमें उन्होंने क्षेत्रफल (या उच्च-आयामी मामले में आयतन) को आकार की एक अलग धारणा से बदल दिया।

प्रश्न की इस पुनर्रचना को समझने के लिए, पहले काकेया सेट में प्रत्येक पंक्ति खंड को लें और इसे थोड़ा सा मोटा करें - जैसे कि आप एक आदर्श सुई के बजाय एक वास्तविक सुई का उपयोग कर रहे हों। समतल में, आपके सेट में अत्यंत पतले आयत होंगे; त्रि-आयामी अंतरिक्ष में, आपके पास अत्यंत पतली ट्यूबों का एक संग्रह होगा।

इन मोटे सेटों में हमेशा कुछ क्षेत्र (या आयतन) होता है, लेकिन अभी हम द्वि-आयामी मामले पर ही टिके रहेंगे। जैसे ही आप अपनी सुई की चौड़ाई बदलेंगे, यह क्षेत्र बदल जाएगा। 1970 के दशक में, गणितज्ञ रॉय डेविस (जिनकी पिछले महीने मृत्यु हो गई) ने दिखाया कि यदि कुल क्षेत्रफल में थोड़ी मात्रा में परिवर्तन होता है, तो प्रत्येक सुई की चौड़ाई में भारी बदलाव होना चाहिए। उदाहरण के लिए, यदि आप बेसिकोविच के सेट का मोटा संस्करण चाहते हैं जिसका क्षेत्रफल एक वर्ग इंच का 1/10 हो, तो प्रत्येक सुई की मोटाई लगभग 0.000045 इंच होनी चाहिए: e^-10 एक इंच का, सटीक होने के लिए। लेकिन यदि आप कुल क्षेत्रफल को एक वर्ग इंच का 1/100 - 10 गुना छोटा - बनाना चाहते हैं तो सुई को बनाना होगा e^-100 एक इंच मोटा. (अन्य अंकों तक पहुंचने से पहले तैंतालीस शून्य दशमलव बिंदु का अनुसरण करते हैं।)

"यदि आप मुझे बताएं कि आप क्षेत्र को कितना छोटा रखना चाहते हैं, तो मुझे एक सुई की मांग करनी होगी जो अविश्वसनीय रूप से पतली हो," कहा चार्ल्स फ़ेफ़रमैन प्रिंसटन विश्वविद्यालय के।

गणितज्ञ मिन्कोव्स्की आयाम नामक एक मात्रा का उपयोग करके काकेया सेट के "आकार" को मापते हैं, जो एक सामान्य आयाम से संबंधित है, लेकिन उसके समान नहीं है (किसी स्थान का वर्णन करने के लिए आपको आवश्यक स्वतंत्र दिशाओं की संख्या के रूप में परिभाषित)।

मिन्कोव्स्की आयाम के बारे में सोचने का एक तरीका यहां दिया गया है: अपना सेट लें और इसे छोटी गेंदों से ढक दें, जिनमें से प्रत्येक का व्यास आपकी पसंदीदा इकाई के दस लाखवें हिस्से के बराबर हो। यदि आपका सेट लंबाई 1 का एक रेखा खंड है, तो आपको इसे कवर करने के लिए कम से कम 1 लाख गेंदों की आवश्यकता होगी। यदि आपका सेट क्षेत्रफल 1 का एक वर्ग है, तो आपको कई, बहुत अधिक की आवश्यकता होगी: एक मिलियन वर्ग, या एक ट्रिलियन। आयतन 1 के एक गोले के लिए, यह लगभग 1 मिलियन घन (एक क्विंटल) है, इत्यादि। मिन्कोवस्की आयाम इस प्रतिपादक का मान है। यह उस दर को मापता है जिस दर से आपके सेट को कवर करने के लिए आवश्यक गेंदों की संख्या बढ़ती है क्योंकि प्रत्येक गेंद का व्यास छोटा हो जाता है। एक रेखाखंड का आयाम 1 है, एक वर्ग का आयाम 2 है, और एक घन का आयाम 3 है।

ये आयाम परिचित हैं. लेकिन मिन्कोव्स्की की परिभाषा का उपयोग करते हुए, एक ऐसे सेट का निर्माण करना संभव हो जाता है जिसका आयाम, मान लीजिए, 2.7 है। हालाँकि ऐसा सेट त्रि-आयामी स्थान नहीं भरता है, यह कुछ अर्थों में द्वि-आयामी सतह से "बड़ा" है।

जब आप किसी सेट को किसी दिए गए व्यास की गेंदों से ढकते हैं, तो आप सेट के मोटे संस्करण की मात्रा का अनुमान लगा रहे होते हैं। आपकी सुई के आकार के साथ सेट का आयतन जितना धीरे-धीरे कम होता जाएगा, आपको इसे ढकने के लिए उतनी ही अधिक गेंदों की आवश्यकता होगी। इसलिए आप डेविस के परिणाम को फिर से लिख सकते हैं - जो बताता है कि विमान में काकेया सेट का क्षेत्र धीरे-धीरे घटता है - यह दिखाने के लिए कि सेट में 2 का मिन्कोव्स्की आयाम होना चाहिए। काकेया अनुमान इस दावे को उच्च आयामों के लिए सामान्यीकृत करता है: एक काकेया सेट होना चाहिए जिस स्थान पर वह रहता है उसका आयाम हमेशा वही होता है।

उस सरल कथन को सिद्ध करना आश्चर्यजनक रूप से कठिन रहा है।

अनुमानों की एक मीनार

जब तक फ़ेफ़रमैन ने नहीं बनाया एक चौंकाने वाली खोज 1971 में, अनुमान को एक जिज्ञासा के रूप में देखा गया था।

वह उस समय एक बिल्कुल अलग समस्या पर काम कर रहे थे। वह फूरियर ट्रांसफॉर्म को समझना चाहते थे, एक शक्तिशाली उपकरण जो गणितज्ञों को साइन तरंगों के योग के रूप में कार्यों को लिखकर उनका अध्ययन करने की अनुमति देता है। एक संगीत नोट के बारे में सोचें, जो बहुत सारी ओवरलैपिंग आवृत्तियों से बना है। (यही कारण है कि पियानो पर मध्य सी वायलिन पर मध्य सी से भिन्न लगता है।) फूरियर रूपांतरण गणितज्ञों को किसी विशेष नोट की घटक आवृत्तियों की गणना करने की अनुमति देता है। यही सिद्धांत मानव वाणी जैसी जटिल ध्वनियों के लिए भी काम करता है।

गणितज्ञ यह भी जानना चाहते हैं कि क्या वे मूल फ़ंक्शन को फिर से बना सकते हैं यदि उन्हें इसकी असीम रूप से कई घटक आवृत्तियों में से कुछ दिया जाए। उन्हें इसकी अच्छी समझ है कि इसे एक आयाम में कैसे किया जाए। लेकिन उच्च आयामों में, वे अलग-अलग विकल्प चुन सकते हैं कि किस आवृत्तियों का उपयोग करना है और किसे अनदेखा करना है। फ़ेफ़रमैन ने अपने सहकर्मियों को आश्चर्यचकित करते हुए साबित कर दिया कि आवृत्तियों को चुनने के विशेष रूप से प्रसिद्ध तरीके पर भरोसा करते समय आप अपने फ़ंक्शन को फिर से बनाने में विफल हो सकते हैं।

उनका प्रमाण बेसिकोविच के काकेया सेट को संशोधित करके एक फ़ंक्शन के निर्माण पर निर्भर था। इसने बाद में गणितज्ञों को फूरियर रूपांतरण के उच्च-आयामी व्यवहार के बारे में अनुमानों का एक पदानुक्रम विकसित करने के लिए प्रेरित किया। आज, पदानुक्रम में श्रोडिंगर समीकरण जैसे भौतिकी में महत्वपूर्ण आंशिक अंतर समीकरणों के व्यवहार के बारे में अनुमान भी शामिल हैं। पदानुक्रम में प्रत्येक अनुमान स्वचालित रूप से उसके नीचे वाले को दर्शाता है।

काकेया अनुमान इस मीनार के बिल्कुल आधार पर स्थित है। यदि यह गलत है, तो कथन भी पदानुक्रम में उच्चतर हैं। दूसरी ओर, इसे सच साबित करने से इसके ऊपर स्थित अनुमानों की सच्चाई तुरंत सामने नहीं आएगी, लेकिन यह उन पर हमला करने के लिए उपकरण और अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकता है।

“काकेया अनुमान के बारे में आश्चर्यजनक बात यह है कि यह सिर्फ एक मजेदार समस्या नहीं है; यह एक वास्तविक सैद्धांतिक अड़चन है,'' हिकमैन ने कहा। "हम आंशिक अंतर समीकरणों और फूरियर विश्लेषण में इनमें से बहुत सी घटनाओं को नहीं समझते हैं क्योंकि हम इन काकेया सेटों को नहीं समझते हैं।"

एक योजना बनाना

फ़ेफ़रमैन के प्रमाण - साथ ही बाद में संख्या सिद्धांत, कॉम्बिनेटरिक्स और अन्य क्षेत्रों में खोजे गए कनेक्शन - ने शीर्ष गणितज्ञों के बीच काकेया समस्या में रुचि को पुनर्जीवित किया।

1995 में, थॉमस वोल्फ ने साबित किया कि 3डी स्पेस में काकेया सेट का मिन्कोव्स्की आयाम कम से कम 2.5 होना चाहिए। उस निचली सीमा को बढ़ाना कठिन हो गया। फिर, 1999 में, गणितज्ञ नेट्स काट्ज़, इजाबेला लाबा और टेरेंस ताओ इसे हराने में कामयाब रहे. उनकी नई सीमा: 2.500000001. भले ही सुधार कितना छोटा था, इसने एक बड़ी सैद्धांतिक बाधा को पार कर लिया। उनका पेपर था में प्रकाशित गणित के इतिहास, क्षेत्र की सबसे प्रतिष्ठित पत्रिका।

काट्ज़ और ताओ ने बाद में 3डी काकेया अनुमान पर एक अलग तरीके से हमला करने के लिए उस काम के कुछ विचारों को लागू करने की आशा व्यक्त की। उन्होंने परिकल्पना की कि किसी भी प्रतिउदाहरण में तीन विशेष गुण होने चाहिए, और उन गुणों के सह-अस्तित्व से विरोधाभास पैदा होना चाहिए। यदि वे इसे सिद्ध कर सकें, तो इसका मतलब होगा कि काकेया अनुमान तीन आयामों में सत्य था।

वे पूरी दूरी तक नहीं जा सके, लेकिन उन्होंने कुछ प्रगति की। विशेष रूप से, उन्होंने (अन्य गणितज्ञों के साथ) दिखाया कि किसी भी प्रतिउदाहरण में तीन में से दो गुण होने चाहिए। यह "समतल" होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि जब भी रेखा खंड एक बिंदु पर प्रतिच्छेद करते हैं, तो वे खंड भी लगभग एक ही तल में स्थित होते हैं। यह "दानेदार" भी होना चाहिए, जिसके लिए आवश्यक है कि आस-पास के चौराहे के बिंदुओं के विमान समान रूप से उन्मुख हों।

वह तीसरी संपत्ति रह गई। एक "चिपचिपे" सेट में, लगभग एक ही दिशा में इंगित करने वाले रेखा खंडों को भी अंतरिक्ष में एक दूसरे के करीब स्थित होना पड़ता है। काट्ज़ और ताओ यह साबित नहीं कर सके कि सभी प्रतिउदाहरण चिपचिपे होने चाहिए। लेकिन सहज रूप से, एक चिपचिपा सेट लाइन खंडों के बीच बहुत अधिक ओवरलैप को मजबूर करने का सबसे अच्छा तरीका लगता है, जिससे सेट जितना संभव हो उतना छोटा हो जाता है - ठीक वही जो आपको एक प्रति-उदाहरण बनाने के लिए चाहिए। यदि कोई यह दिखा सके कि एक चिपचिपे काकेया सेट का मिन्कोव्स्की आयाम 3 से कम था, तो यह 3डी काकेया अनुमान को गलत साबित कर देगा। "ऐसा लगता है कि 'चिपचिपा' सबसे चिंताजनक मामला होगा," कहा लैरी गुथ मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के।

अब कोई चिंता की बात नहीं है.

द स्टिकिंग प्वाइंट

2014 में - काट्ज़ और ताओ द्वारा काकेया अनुमान को साबित करने का प्रयास करने के एक दशक से भी अधिक समय बाद - ताओ उनके दृष्टिकोण की एक रूपरेखा पोस्ट की अपने ब्लॉग पर, अन्य गणितज्ञों को इसे स्वयं आज़माने का मौका दे रहा है।

2021 में, हांग वांग, न्यूयॉर्क विश्वविद्यालय में गणितज्ञ, और जोशुआ ज़हली ब्रिटिश कोलंबिया विश्वविद्यालय ने वहीं से शुरू करने का फैसला किया जहां ताओ और काट्ज़ ने छोड़ा था।

उन्होंने 3 से कम के मिन्कोव्स्की आयाम के साथ एक चिपचिपे प्रति-उदाहरण के अस्तित्व को मानकर शुरुआत की। वे पिछले काम से जानते थे कि इस तरह के प्रति-उदाहरण को योजनाबद्ध और दानेदार होना चाहिए। ज़हल ने कहा, "तो हम उस तरह की दुनिया में थे जिसके बारे में टेरी ताओ और नेट्स काट्ज़ सोच रहे थे।" अब उन्हें यह दिखाने की ज़रूरत थी कि समतल, दानेदार और चिपचिपे गुण एक-दूसरे से प्रभावित होते हैं और विरोधाभास पैदा करते हैं, जिसका अर्थ यह होगा कि यह प्रति-उदाहरण वास्तव में मौजूद नहीं हो सकता है।

हालाँकि, उस विरोधाभास को दूर करने के लिए, वांग और ज़हल ने अपना ध्यान उस दिशा में लगाया जिसकी काट्ज़ और ताओ ने आशा नहीं की थी - प्रक्षेपण सिद्धांत के रूप में जाने जाने वाले क्षेत्र की ओर।

उन्होंने अपने चिपचिपे प्रति-उदाहरण की संरचना का अधिक विस्तार से विश्लेषण करके शुरुआत की। यदि आप सेट के आदर्श संस्करण पर विचार करते हैं, तो इसमें प्रत्येक दिशा की ओर इशारा करने वाले अनंत संख्या में रेखा खंड हैं। लेकिन इस समस्या में, याद रखें कि आप उन रेखा खंडों के मोटे संस्करण - सुइयों का एक गुच्छा - से निपट रहे हैं। उनमें से प्रत्येक सुई में कई आदर्शीकृत रेखा खंड शामिल हो सकते हैं, जिसका अर्थ है कि आप पूरे अनंत सेट को सीमित संख्या में सुइयों के साथ एन्कोड कर सकते हैं। सुइयां कितनी मोटी हैं, इसके आधार पर आपका मोटा सेट बहुत अलग दिख सकता है।

यदि सेट चिपचिपा है, तो चाहे सुई कितनी भी मोटी क्यों न हो, यह कमोबेश एक जैसा ही दिखेगा।

वांग और ज़हल ने इस संपत्ति का उपयोग यह दिखाने के लिए किया कि जैसे-जैसे सुइयां पतली होती जाती हैं, सेट अधिक से अधिक योजनाबद्ध होता जाता है। ज़हल ने कहा, इस प्रक्रिया के माध्यम से, वे "और भी अधिक पैथोलॉजिकल वस्तु निकाल सकते हैं" - कुछ ऐसा जो असंभव गुणों वाला प्रतीत होता है।

आगे उन्होंने यही दिखाया। उन्होंने साबित कर दिया कि इस रोग संबंधी वस्तु को दो तरीकों में से एक में देखना होगा, जिससे दोनों में विरोधाभास पैदा हो गया। या तो आप इसे 2डी स्पेस में इस तरह से प्रक्षेपित करने में सक्षम होंगे कि यह कई दिशाओं में बहुत छोटा हो जाएगा - कुछ ऐसा जो वांग और उनके सहयोगियों के पास था असंभव दिखाया गया है. या, दूसरे मामले में, सेट में सुइयों को एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के फ़ंक्शन के अनुसार व्यवस्थित किया जाएगा, जिसे ज़हल और उनके सहयोगियों ने हाल ही में साबित किया था अस्तित्व में नहीं रह सका, क्योंकि यह अन्य प्रकार के अनुमानों को जन्म देगा जिनका कोई मतलब नहीं था।

वांग और ज़हल के पास अब अपना विरोधाभास था - जिसका अर्थ है कि काकेया अनुमान के लिए कोई चिपचिपा प्रति उदाहरण नहीं हैं। (उन्होंने इसे न केवल मिन्कोव्स्की आयाम के लिए, बल्कि हॉसडॉर्फ आयाम नामक संबंधित मात्रा के लिए भी दिखाया।) "परिणाम प्रति-उदाहरणों के इस पूरे वर्ग को खारिज कर देता है," ज़हल ने कहा - सेट के सटीक प्रकार को गणितज्ञों ने सबसे अधिक संभावना माना था। अनुमान.

नया काम "काकेया अनुमान के सत्य होने के लिए मजबूत समर्थन है," कहा पाब्लो शमेर्किन ब्रिटिश कोलंबिया विश्वविद्यालय के. हालाँकि यह केवल त्रि-आयामी मामले पर लागू होता है, इसकी कुछ तकनीकें उच्च आयामों में उपयोगी हो सकती हैं। अन्य संख्या प्रणालियों में अनुमान पर प्रगति करने में वर्षों बिताने के बाद, गणितज्ञ वास्तविक संख्याओं के समस्या के मूल क्षेत्र में इस वापसी से उत्साहित हैं।

झांग ने कहा, "यह उल्लेखनीय है कि उन्होंने इस मामले को पूरी तरह से सुलझा लिया।" "वास्तविक सेटिंग में, यह अत्यंत दुर्लभ है।" और यदि कोई यह साबित कर सकता है कि एक प्रति-उदाहरण चिपचिपा होना चाहिए, तो नया परिणाम तीन आयामों में पूर्ण अनुमान लगाएगा। इसके ऊपर निर्मित अनुमानों का पदानुक्रम तब सुरक्षित रहेगा, इसकी नींव स्थिर रहेगी।

"किसी तरह, प्रक्षेपण सिद्धांत में ये दो अलग-अलग समस्याएं, जिनका ऊपरी तौर पर एक-दूसरे से कोई लेना-देना नहीं है, काकेया के लिए जो आवश्यक था उसे देने के लिए काफी अच्छी तरह से एक साथ फिट होती हैं," ज़हल ने कहा।