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オレンジの積み方の証明は「99%確か」?ケプラー予想に最後のお墨付きを与えたのは機械だった

オレンジの積み方の証明は「99%確か」?ケプラー予想に最後のお墨付きを与えたのは機械だった

読む前に予想してみよう!

同じ大きさの球を3次元でいちばん密に詰める方法は、八百屋のオレンジの積み方(面心立方格子)だと証明されている

研究カード(どんな研究?)
対象
3次元の同じ大きさの球の詰め込み
規模
全ての配置(有限個のケースに還元)
研究の種類
数学の証明(計算機支援+形式検証)
確かさ
★★★★★
3秒でわかる

オレンジの積み方が最もぎっしり詰まる、という400年前の予想。1998年に証明が出たが、主任査読者も「99%確か」と伝えるにとどまり、2014年に形式証明で決着した。

ひとことで言うとオレンジのいつもの積み方が一番ぎっしり、と機械がチェックして決着!

論文スペック表研究デザイン・規模・結果・その後(玄人向け)
研究の種類
数学の証明(計算機支援証明と形式証明)
対象
3次元での同じ大きさの球の詰め込み
主な結果
面心立方格子(密度約74%)が最密
手法
有限個のケースへの還元、線形計画問題と非線形不等式の計算機による確認
形式検証
証明支援系 HOL Light と Isabelle で全体を形式化(2014年8月完了)
報告論文
2017年 Forum of Mathematics, Pi(著者22人)
データ公開
形式証明のコードは GitHub で公開
もくじ
  1. 400年かかった「当たり前」
  2. 1998年の証明と「99%」の査読
  3. Flyspeck:最後の1%を機械に任せる
  4. 「機械が確かめた」は「確か」なのか
  5. 研究史の中での位置づけ
  6. まとめ

八百屋さんの店先で、オレンジがピラミッドのように積まれています。下の段のくぼみに、次の段のオレンジを乗せていく、あの積み方です。

これが「同じ大きさの球を、いちばん隙間なく詰める方法」だろう、と予想したのは、惑星の法則で有名な天文学者ケプラー。1611年のことです。

あまりに当たり前に見えるこの予想、証明されたのは約400年後。しかもその証明は巨大すぎて、専門家の査読チームが何年もかけて調べても完全には確かめきれず、主任査読者の言葉は「99%確信している」でした。最後の1%を埋めたのは、人間ではなくコンピュータだったのです。

01400年かかった「当たり前」

ケプラーの予想は、その後も数学者を悩ませ続けます。

19世紀にはガウスが、球の中心が規則正しい格子状に並ぶ場合に限れば、オレンジ積みが最密だと証明しました。でも、球がバラバラで不規則に並ぶ可能性まで含めると、話は一気に難しくなります。

1900年、ヒルベルトが数学の重要問題として掲げた23の問題の中(第18問題)にも、この問いが含まれていました。

局所的にはオレンジ積みより密な並び方がある、というのも難しさの原因です。たとえば1つの球のまわりに12個の球を正二十面体の頂点のように配置すると、その「ご近所」だけを見ればオレンジ積みより密にできてしまう。でも、それを空間全体に広げることはできない。この「局所」と「全体」のずれが、証明をとても厄介にしていました。

1950年代から、ハンガリーのラースロー・フェイェシュ・トートが一貫した証明の筋道を示し、やがて「この問題の研究にはコンピュータが使えるかもしれない」と提案します。調べるべき場合の数は、人間の手に負える量ではなかったのです。

021998年の証明と「99%」の査読

この方針を実行に移したのが、アメリカの数学者トーマス・ヘイルズです。教え子のサミュエル・ファーガソンとともに、1998年に証明を発表しました。

この証明は数学のトップ誌『Annals of Mathematics』に投稿され、複数の専門家による査読委員会が審査しました。ところが何年もかけても、コンピュータ部分を含めた全体を、人間が完全に確認しきることはできなかったのです。

ヘイルズ自身の解説によると、主任査読者のガーボル・フェイェシュ・トート(ラースローの息子)は、証明が正しいことに99%確信しているとヘイルズに書き送っていました。査読団は、局所的な主張を調べるたびに正しいと確かめられたものの、証明全体を完全に保証することはできないと結論します。論文はその状態のまま2005年に同誌に掲載され、完全版は2006年に別の専門誌に分けて発表されました。

数学では「たぶん正しい」は「正しい」ではありません。ヘイルズ自身、この状況を良しとしませんでした。

数百ページの論証と大量の計算。人間の査読には限界があった
数百ページの論証と大量の計算。人間の査読には限界があった

03Flyspeck:最後の1%を機械に任せる

2003年、ヘイルズは証明全体を形式証明に書き直すプロジェクトを始めます。名前は Flyspeck。「The Formal Proof of Kepler」の頭文字 F・P・K を含む英単語から取ったものです(flyspeck には「ハエのふん(の小さなしみ)」という意味もあります)。

形式証明では、「明らかに」「同様にして」といった人間向けの省略が一切許されません。すべての推論を論理の基本ルールまで分解し、証明支援系が一歩ずつ検査します。

書き直しの過程では、元の証明をより見通しのよい形に整理し、その途中で見つかった元の証明の誤り(エラッタ)も2010年の論文(オンライン公開は2009年)で一覧にしています。ほとんどは小さな誤りでしたが、1か所は元の証明の論証が不完全で、それを補う新しい議論が必要でした。結論そのものは変わりませんでしたが、「人間の査読をすり抜けた穴」が実際にあったことは示唆的です。

04「機械が確かめた」は「確か」なのか

ここから玄人ゾーン

ここまで読めば要点はつかめています。この先は反論・方法論・未解決の問いまで踏み込みます。

05研究史の中での位置づけ

ケプラー予想の決着は、数学の「確かさ」の基準そのものを問い直すきっかけになりました。

一方で、球の詰め込み問題は3次元で終わりではありません。2016年、ウクライナ出身の数学者マリナ・ヴィヤゾフスカが、8次元での最密充填を驚くほど短くエレガントな証明で解決し(2017年『Annals of Mathematics』)、さらに共同研究者とともに24次元も解決。2022年のフィールズ賞につながりました。

3次元のヘイルズの証明が巨大な場合分けと計算機頼みだったのに対し、8次元と24次元は特別な対称性のおかげで、人間が読める証明になったのです。3次元より、8次元や24次元のほうがかえって美しく解ける、という皮肉な対比も、この分野の面白さです。近年は、こうした高次元の証明を形式化する取り組みも進められてきました。

06まとめ

オレンジの積み方が最密だという「当たり前」は、400年かけて証明され、さらに10年以上かけて機械が一歩ずつ確かめることで、ようやく「100%」に近づきました。

数学の証明は、黒板の上だけで完結するものから、人とコンピュータが一緒に検査するものへ。八百屋の店先のオレンジは、その転換点の象徴なのです。

この研究を英語で読もう原田英語の English CornerWhen Thomas Hales announced his proof of the Kepler conjecture in 1998, it came with hundreds of pages of… 音声 4択クイズ9問A2・B1・B2タップして開く

原田英語の English Corner

この研究を英語で読もう

When Thomas Hales announced his proof of the Kepler conjecture in 1998, it came with hundreds of pages of arguments and a huge amount of computer work. The famous journal Annals of Mathematics asked a team of experts to check it. After years of work, the chief referee said he was 99 percent sure the proof was correct, but the referees could not check every computer calculation.

The paper was published in 2005. Hales was not happy with 99 percent. In 2003 he started a project called Flyspeck to rewrite the whole proof in a form that special software could check step by step. With more than twenty co-authors, he finished the project in August 2014.

116 words ・ CEFR B1

和訳を見る

1998年にトーマス・ヘイルズがケプラー予想の証明を発表したとき、それには数百ページの論証と膨大なコンピュータの計算がついていました。有名な学術誌『Annals of Mathematics』は専門家のチームに確認を依頼しました。何年もかけたあと、主任査読者は証明が正しいことに99%確信していると述べましたが、査読者たちはコンピュータの計算すべてを確認することはできませんでした。

論文は2005年に掲載されました。ヘイルズは99%では満足しませんでした。彼は2003年に、証明全体を特別なソフトウェアが一歩ずつ確認できる形に書き直す「Flyspeck」というプロジェクトを始めました。20人以上の共著者とともに、彼は2014年8月にプロジェクトを完成させました。

4択リーディングクイズ

Q1. What is the passage mainly about?

Q2. When was the Flyspeck project finished?

Q3. Why did Hales most likely start Flyspeck?

重要単語

  • conjectureC1
    名詞予想(まだ証明されていない主張)Kepler's conjecture waited almost 400 years for a proof. 動詞としても使える(推測する)。数学では証明されると theorem(定理)になる。
  • sphereB2
    名詞球Oranges are close to perfect spheres. hemisphere(半球)、atmosphere(大気)の -sphere も同じ語源。
  • stackB1
    動詞・名詞積み重ねる/積み重ねShe stacked the boxes in the corner. a stack of books(本の山)。stack up は「積み上げる」「比べてどうか」の意味も。
  • densityB2
    名詞密度(詰まり具合)This packing has the highest density. dense(密な)の名詞形。population density(人口密度)も頻出。
  • refereeB2
    名詞(論文の)査読者/審判The referees checked the proof for years. スポーツの「審判」と同じ語。学術では peer review(査読)とセットで。
  • verifyB2
    動詞検証する、正しいと確かめるA computer verified every step. 名詞は verification。ラテン語 verus(真の)から。very と同じ語源。
  • formal proofC1
    名詞(句)形式証明A formal proof leaves no step unchecked. formal は「形式に沿った」。proof assistant(証明支援系)も合わせて覚えたい。

4コマでわかる

オレンジの積み方の証明は「99%確か」?ケプラー予想に最後のお墨付きを与えたのは機械だったの4コマ漫画
オレンジの積み方は本当にいちばん隙間が少ないのか。400年前のケプラーの予想に1998年に証明が出たが、何年も査読した主任査読者が伝えたのは「99%は確か」という言葉だったらしい。最後の1%を埋めたのは機械の形式証明だった。

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出典・参考文献(5件)タップで表示

原典ガイド:入門から読むと入りやすく、必読は議論の土台、発展はその先の論点です。

  1. 発展Hales (2005) A proof of the Kepler conjecture, Annals of Mathematicsdoi.org1998年に発表された計算機支援の証明。しらみつぶし戦略の原典
  2. 発展Hales et al. (2010) A Revision of the Proof of the Kepler Conjecture, Discrete & Computational Geometrydoi.org形式化に向けて整理し直した改訂版の証明。元の証明の誤植や細かな誤りの一覧も載る
  3. 必読Hales et al. (2017) A formal proof of the Kepler conjecture, Forum of Mathematics, Pidoi.orgFlyspeck の正式な報告論文。HOL Light と Isabelle を組み合わせた形式証明の全体像
  4. 入門Tymoczko (1979) The Four-Color Problem and Its Philosophical Significance, The Journal of Philosophydoi.org四色定理の計算機証明を題材に「証明とは何か」を論じた哲学論文。論争の原点
  5. 発展Viazovska (2017) The sphere packing problem in dimension 8, Annals of Mathematicsdoi.org8次元の最密充填の証明。3次元の巨大な証明との対比で読むと面白い