Conjetura de Borsuk

Summary

En geometría, el problema de Borsuk, incorrectamente llamado conjetura de Borsuk por razones históricas,[nota 1]​ es una cuestión resuelta en el campo de la geometría discreta. Recibe su nombre del matemático polaco Karol Borsuk.

Un ejemplo de un hexágono cortado en tres piezas de menor diámetro
Problemas no resueltos de la matemática: ¿Cuál es el n más bajo tal que no todo subconjunto acotado E del espacio puede ser partido en (n + 1) conjuntos, cada uno de los cuales tiene un diámetro menor que E?

Problema

editar

En 1932, Karol Borsuk demostró[2]​ que una bola tridimensional ordinaria en el espacio euclídeo puede diseccionarse fácilmente en cuatro sólidos, cada uno con un diámetro menor que la esfera, y que una esfera n-dimensional generalmente puede cubrirse con n + 1 conjuntos compactos de diámetros menores que la esfera. Al mismo tiempo, demostró que n subconjuntos no son suficientes en general. La demostración se basa en el teorema de Borsuk-Ulam. Esto llevó a Borsuk a una pregunta general:[2]

Die folgende Frage bleibt offen: Lässt sich jede beschränkte Teilmenge E des Raumes   in (n + 1) Mengen zerlegen, von denen jede einen kleineren Durchmesser als E hat?

La siguiente pregunta permanece abierta: ¿Puede cada subconjunto acotado E del espacio   ser dividido en (n + 1) subconjuntos, cada uno de los cuales tiene un diámetro menor que E? (Drei Sätze über die n-dimensionale euklidische Sphäre)

La pregunta se respondió afirmativamente en los siguientes casos:

  • n= 2, que es el resultado original de Karol Borsuk (1932).
  • n= 3, demostrado por Julian Perkal (1947),[3]​ e independientemente, 8 años después, por H. G. Eggleston (1955).[4]​ Una demostración simple fue encontrada posteriormente por Branko Grünbaum y Aladár Heppes.
  • Para todos los n campos convexos diferenciables, demostrado por Hugo Hadwiger (1946).[5][6]
  • Para todos los n campos con simetrías centrales, demostrado por A.S. Riesling (1971).[7]
  • Para todos los n campos de revolución, demostrado por Boris Dekster (1995).[8]

El problema fue finalmente resuelto en 1993 por Jeff Kahn y Gil Kalai, quienes demostraron que la respuesta general a la pregunta de Borsuk es no.[9]​ Afirman que su construcción muestra que n + 1 piezas no son suficientes para n= 1325 y para cada n > 2014. Sin embargo, como señaló Bernulf Weißbach,[10]​ la primera parte de esta afirmación es de hecho falsa. Pero después de mejorar una conclusión subóptima dentro de la deducción correspondiente, se puede de hecho verificar uno de los conjuntos de puntos construidos como un contraejemplo para n= 1325 (así como todas las dimensiones superiores hasta 1560).[11]

Su resultado fue mejorado en 2003 por Hinrichs y Richter, quienes construyeron conjuntos finitos para n ≥ 298, que no pueden dividirse en n + 11 partes de menor diámetro.[1]

En 2013, Andriy V. Bondarenko demostró que la conjetura de Borsuk es falsa para todo n ≥ 65.[12]​ Poco después, Thomas Jenrich dedujo un contraejemplo de 64 dimensiones a partir de la construcción de Bondarenko, obteniendo la mejor cota hasta la fecha.[13][14]

Aparte de encontrar el número mínimo n de dimensiones tal que el número de piezas α(n) > n + 1, los matemáticos están interesados en encontrar el comportamiento general de la función α(n). Kahn y Kalai muestran que en general (es decir, para n suficientemente grande), se necesitan al menos   piezas. También citan el límite superior dado por Oded Schramm, quien demostró que para cada ε, si n es suficientemente grande,  .[15]​ El orden de magnitud correcto de α(n) aún es desconocido.[16]​ Sin embargo, se conjetura que hay una constante c > 1 tal que α(n) > cn para todo n ≥ 1.

Oded Schramm también trabajó en una cuestión relacionada: se dice que un cuerpo   de ancho constante tiene un radio efectivo   si  , donde   es la esfera unidad en  . Schramm demostró la cota inferior  , donde   es el radio efectivo más pequeño de un cuerpo de ancho constante 2 en  , y preguntó si existe un   tal que   para todo  ,[17][18]​ es decir, si la diferencia entre los volúmenes del cuerpo de ancho constante más pequeño y el más grande crece exponencialmente. En 2024, una preimpresión de Arman, Bondarenko, Nazarov, Prymak y Radchenko informó haber respondido afirmativamente a esta pregunta, obteniendo una construcción que satisface  .[19][20][21]

Véase también

editar

Nota

editar
  1. Como afirman Hinrichs y Richter en la introducción de su obra,[1]​ «La conjetura de Borsuk fue considerada cierta por muchos durante décadas» (de ahí su nombre común, «conjetura»), por lo que «fue una sorpresa cuando Kahn y Kalai construyeron conjuntos finitos que demostraban lo contrario». Sin embargo, Karol Borsuk había formulado el problema simplemente como una pregunta, sin sugerir que la respuesta esperada fuera positiva.

Referencias

editar
  1. a b Hinrichs, Aicke; Richter, Christian (28 de agosto de 2003). «New sets with large Borsuk numbers». Discrete Mathematics (Elsevier) 270 (1–3): 137-147. doi:10.1016/S0012-365X(02)00833-6. 
  2. a b Borsuk, Karol (1933), «Drei Sätze über die n-dimensionale euklidische Sphäre» [Three theorems about the n-dimensional Euclidean sphere], Fundamenta Mathematicae (en alemán) 20: 177-190, doi:10.4064/fm-20-1-177-190 .
  3. Perkal, Julian (1947), «Sur la subdivision des ensembles en parties de diamètre inférieur», Colloquium Mathematicum (en francés) 2: 45 .
  4. Eggleston, H. G. (1955), «Covering a three-dimensional set with sets of smaller diameter», London Mathematical Society 30: 11-24, MR 0067473, doi:10.1112/jlms/s1-30.1.11 .
  5. Hadwiger, Hugo (1945), «Überdeckung einer Menge durch Mengen kleineren Durchmessers», Commentarii Mathematici Helvetici (en alemán) 18 (1): 73-75, MR 0013901, S2CID 122199549, doi:10.1007/BF02568103 .
  6. Hadwiger, Hugo (1946), «Mitteilung betreffend meine Note: Überdeckung einer Menge durch Mengen kleineren Durchmessers», Commentarii Mathematici Helvetici (en alemán) 19 (1): 72-73, MR 0017515, S2CID 121053805, doi:10.1007/BF02565947 .
  7. Riesling, A. S. (1971), «Проблема Борсука в трехмерных пространствах постоянной кривизны» [Borsuk's problem in three-dimensional spaces of constant curvature], Ukr. Geom. Sbornik (en ruso) (Kharkov State University (now Universidad de Járkov)) 11: 78-83 .
  8. Dekster, Boris (1995), «The Borsuk conjecture holds for fields of revolution», Journal of Geometry 52 (1–2): 64-73, MR 1317256, S2CID 121586146, doi:10.1007/BF01406827 .
  9. Kahn, Jeff; Kalai, Gil (1993), «A counterexample to Borsuk's conjecture», Bulletin of the American Mathematical Society 29 (1): 60-62, MR 1193538, S2CID 119647518, arXiv:math/9307229, doi:10.1090/S0273-0979-1993-00398-7 .
  10. Weißbach, Bernulf (2000), «Sets with Large Borsuk Number», Beiträge zur Algebra und Geometrie (en alemán) 41 (2): 417-423 .
  11. Jenrich, Thomas (2018), On the counterexamples to Borsuk's conjecture by Kahn and Kalai, arXiv:1809.09612v4 .
  12. Bondarenko, Andriy (2014) [​2013​], «On Borsuk's Conjecture for Two-Distance Sets», Discrete & Computational Geometry 51 (3): 509-515, MR 3201240, arXiv:1305.2584, doi:10.1007/s00454-014-9579-4 .
  13. Jenrich, Thomas (2013), A 64-dimensional two-distance counterexample to Borsuk's conjecture, Bibcode:2013arXiv1308.0206J, arXiv:1308.0206 .
  14. Jenrich, Thomas; Brouwer, Andries E. (2014), «A 64-Dimensional Counterexample to Borsuk's Conjecture», Electronic Journal of Combinatorics 21 (4): #P4.29, MR 3292266, doi:10.37236/4069 .
  15. Schramm, Oded (1988), «Illuminating sets of constant width», Mathematika 35 (2): 180-189, MR 0986627, doi:10.1112/S0025579300015175 .
  16. Alon, Noga (2002), «Discrete mathematics: methods and challenges», Proceedings of the International Congress of Mathematicians, Beijing 1: 119-135, Bibcode:2002math.....12390A, arXiv:math/0212390 .
  17. Schramm, Oded (mes de Junio de 1988). «On the volume of sets having constant width». Israel Journal of Mathematics (en inglés) 63 (2): 178-182. ISSN 0021-2172. doi:10.1007/BF02765037. 
  18. Kalai, Gil (19 de mayo de 2015). «Some old and new problems in combinatorial geometry I: Around Borsuk's problem». arXiv:1505.04952  [math.CO]. 
  19. Arman, Andrii; Bondarenko, Andriy; Nazarov, Fedor; Prymak, Andriy; Radchenko, Danylo (28 de mayo de 2024). «Small volume bodies of constant width». arXiv:2405.18501  [math.MG]. 
  20. Kalai, Gil (31 de mayo de 2024). «Andrii Arman, Andriy Bondarenko, Fedor Nazarov, Andriy Prymak, and Danylo Radchenko Constructed Small Volume Bodies of Constant Width». Combinatorics and more (en inglés). Consultado el 28 de septiembre de 2024. 
  21. Barber, Gregory (20 de septiembre de 2024). «Mathematicians Discover New Shapes to Solve Decades-Old Geometry Problem». Quanta Magazine (en inglés). Consultado el 28 de septiembre de 2024. 

Lecturas adicionales

editar
  • Oleg Pikhurko, Métodos Algebraicos en Combinatoria, apuntes del curso.
  • Andrei M. Raigorodskii, El problema de la partición de Borsuk: el septuagésimo aniversario, The Mathematical Intelligencer26 (2004), n.º 3, 4-12.
  • Raigorodskii, Andreii M. (2008). «Three lectures on the Borsuk partition problem». En Young, Nicholas; Choi, Yemon, eds. Surveys in contemporary mathematics. London Mathematical Society Lecture Note Series 347. Cambridge University Press. pp. 202-247. ISBN 978-0-521-70564-6. Zbl 1144.52005. 

Enlaces externos

editar
  •   Datos: Q894242