开普勒猜想的证明

1998年黑尔斯借助计算机证明球最密堆积密度,2014年形式化验证完成。

时代
20世纪
文明 / 地域
欧洲

背景

开普勒猜想(1611)由约翰内斯·开普勒提出:在三维空间中,相同大小的球最密堆积的密度为

π320.74048,\frac{\pi}{3\sqrt{2}}\approx 0.74048,

由面心立方堆积(立方密堆积)或六方密堆积达到。这一看似直观的结论,严谨证明却极为困难。

详细描述

1998年,美国数学家托马斯·黑尔斯(Thomas Hales)与其研究生塞缪尔·弗格森(Samuel Ferguson)宣布证明。其思路源自L. Fejes Tóth(1953):最密堆积问题可归约为在约5000种球构型上验证一组不等式。证明由约250页数学论证与约3GB计算机代码/数据组成,借助线性规划、区间算术与全局优化完成大量组合计算。

《数学年刊》组织12人评审团,4年后表示”99%确信”证明正确,但无法完全验证所依赖的计算机代码。为彻底消除疑虑,黑尔斯于2003年发起 Flyspeck 形式化验证项目,使用证明助手 HOL Light 与 Isabelle,将证明逐步骤机器核验。

求解过程 / 影响(含最新进展若相关)

2014年8月10日,黑尔斯宣布 Flyspeck 项目完成,开普勒猜想的证明首次经过计算机严格形式化验证。这是数学史上又一例(继四色定理之后)依赖、乃至”形式化”计算机的重大证明,展示了形式化方法在核验极其复杂证明中的威力,也推动了”可验证数学”这一方向的发展。值得一提的是,8维与24维球堆积的最密性(由Viazovska等解决,2016)近年亦有突破。