数学发现|只有高中学历,这名家庭主妇却做出了4项重要数学发现( 二 )


1968年,约翰·霍普金斯大学的数学家理查德·克什纳(Richard Kershner)发现了新的3类凸五边形。这3类五边形要实现密铺,必须要成双成对。

数学发现|只有高中学历,这名家庭主妇却做出了4项重要数学发现


克什纳发现的3类凸五边形密铺。图片来源:(DOI)10.1080/00029890.1968.11971075
克什纳认为,能密铺的五边形就这么8类,不能更多了,并在论文中加了一句话:“证明过程太复杂,以后再单独证明”。听起来是不是有费马“对上述命题,我已发现了一种绝妙的证明,可惜书边太窄了写不下。”那味了?
克什纳虽然没有给出完整的证明,但是他的观点却借由 加德纳的专栏被世人所知。
这篇文章刊出后不久,业余数学家理查德·詹姆斯三世(Richard James III)写了一封信给加德纳,告诉他有第9类可以密铺的五边形。
他是从阿基米德地砖(Archimedean tiling)中找到了灵感。实际上,阿基米德地砖中的八边形可以等分为4个五边形。八边形稍微排列一下,就可以在空隙中塞入这种五边形。显然,这种八五边形可以实现密铺。
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阿基米德地砖四等分后,可以形成第1类凸五边形。(图片来源:Doris Schattschneider)
要注意的是,这种五边形有两条平行边,因此属于第1类凸五边形,不算新的。但是詹姆斯巧妙地对八边形的四分切割进行了调整,让切割的“十”字微微倾斜,使切出来的五边形的任意两条边不再平行。这么一来,就出现了第9类凸五边形。

数学发现|只有高中学历,这名家庭主妇却做出了4项重要数学发现


詹姆斯三世发现的第9类密铺。(图片来源:Deke McClelland)
这种新的五边形需要3个一组才能实现密铺,用数学家的行话来说,这种五边形属于 3-block tiling(3块密铺)。
于是在1975年12月的《科学美国人》上,加德纳把这位读者的发现刊登了出来。后来在20世纪90年代,俄亥俄州立大学数学系的教授亨利·格洛弗(Henry Glover)和菲利普·胡内克(Philip Huneke)用这第9类凸五边形装饰了数学系6楼的地板。
赖斯也看到了这篇文章,但直觉告诉她有什么不对劲,于是自己开始研究有没有什么新类型的五边形密铺。做完家务,她就在厨房的餐桌上做自己的数学研究。家人回来或是有客人来,她就把自己的研究笔记藏起来。所以在很长一段时间里,没有人知道她在寻找密铺五边形的事。这一秘密的研究就这样持续了二十来年。
因为只有高中学历而且没有几何学基础,赖斯只能自创数学符号来表示多边形的性质。这是她的笔记——

数学发现|只有高中学历,这名家庭主妇却做出了4项重要数学发现


赖斯用自创的符号对加德纳介绍的9种凸五边形进行分类。图片来源:(DOI)10.1080/17513472.2018.1453740
很快,她就有了收获。1976年2月,她写信给加德纳,将自己发现的密铺凸五边形寄了过去。
赖斯发现的第9类凸五边形及定义(右上角)。因为赖斯的证明在前,因此是第9类,詹姆斯的是第10类。图片上面的变形体是她用图像证明这第9类五边形的可能变化形态。(图片来源:site of marjorie rice)
加德纳把赖斯的信转交给了另一位数学家多丽丝·沙特施奈德(Doris Schattschneider),后者对这位数学爱好者产生了强烈的兴趣。
沙特施奈德证明赖斯的发现是新类型的凸五边形,她还从中得到了一个猜想:如果一个五边形的四条边长度相等,且四个角之间满足一定的条件,就能实现密铺。
令沙特施奈德意外的是,赖斯很快驳斥了这个猜想。赖斯指出,满足这个猜想中一共包括4类五边形,其中2类是无法实现密铺的。沙特施奈德后来不得不承认,赖斯是对的。

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