不可能的密铺

Conway 等人在论文 (Conway and Lagarias 1990) 中提出了下面的问题:

问题 依次将 \(1,2,\ldots,n\) 个全等的正六边形摞在一起,得到的图案记作 \(T_n\),下图是 \(n=7\) 的例子:

把三个连在一起、且对称中心在一条直线上的正六边形组成的图案叫做「骨头」,根据摆放的角度有三种不同的骨头:

求证对任何 \(n\)\(T_n\) 都不可能用若干骨头恰好密铺。

Conway 等人的论文里面包含了好几个密铺的问题,上面这个问题只是其中一个。虽然这个问题的表述很简单,但它的解法并不“初等”。这里我称之为“”初等”的方法是染色法。染色法是最常用的论证不可能密铺的手段。它的基本思想是,用一个 Abel 群(一般是有理数域 \(\mathbb{Q}\))给平面上每一个正六边形作标记,使得任何骨头覆盖的三个正六边形的标记之和为整数,但是整个区域所有正六边形标记之和不是整数,这样来得出矛盾。

然而,Conway 等人在论文中借助“密铺的同调群”证明了染色方法在这个问题中是无法得出矛盾的。我简要地解释一下原因:染色方法可以成功的必要条件是 \(T_n\) 对应的群元素在骨头生成的同调群中不是恒等元,从而无法被密铺。而这个问题中,\(T_n\) 对应的群元素在同调群中确实是恒等元(构造适当的 signed tiling 即可)。所以染色法对这个问题无效!

Conway 等人用“密铺的同伦群”给出了不可能密铺的证明。同伦群方法的基本思想是,我们仍然用一个群(未必是 Abel 群)的元素作标记,但是这次是给区域和瓷砖的边界作标记,来获得密铺的某种不变量,并说明 \(T_n\)边界不满足这个不变量,从而导出矛盾。本文就来介绍这一证明。

中心单代数的三个基本结论

本文整理自我在讨论班上做的一次约两小时的报告,介绍中心单代数的三个基本结论:

  1. 中心单代数对张量积运算是封闭的。
  2. Noether-Skolem 定理。
  3. 双重中心化子定理。

这些内容虽然经典,但不同教材的讲解方式差异很大,找到一个完全符合自己口味的不是件容易的事情。对初学者而言,一些名气很大的教材反而不见得友好。我当初念 (Jacobson 1980) 就感觉很抓狂。后来我查阅了不少教材后经过提炼整理得到了本文。我个人认为这是最直接清楚的讲法。

Jordan 标准形

Jordan 标准形定理是线性代数中的基本定理,你可能会好奇,这么一个老掉牙的,在无数教材和讲义中都可以找到的定理,还能写出什么新意来呢?

理由有两个。第一个是我曾经在做助教给学生讲这个定理的时候,突然发现不知道该怎么启发他们为好。虽然我知道 Jordan 标准形定理的很多种证法,照念几个不在话下,但是感觉很不自然:为什么要引入 Jordan 块?这些块究竟代表了什么?怎么才能说清定理背后的想法,让学生觉得定理的成立是顺理成章的呢?于是我知道我对这个定理的理解还有模糊的地方。

第二个原因是 Jordan 块有一个重要的代数性质是通常教材中不讲的,而这个性质是代数学中一类重要而常见的性质的雏形,这就是不可分解性。与之对应的是可对角化的线性变换的完全可约性。从一开始就让学生接触这些现象是有好处的。

当前网速较慢或者你使用的浏览器不支持博客特定功能,请尝试刷新或换用Chrome、Firefox等现代浏览器