在美剧《老友记》第5季第16集中,男主角罗斯买了一张新沙发,于是他找来了两个朋友,让他们帮忙把沙发抬进公寓中。
在抬着沙发经过楼梯拐角处时,罗斯对着他的两个朋友大喊:“Pivot!Pivot!”(Pivot的意思是绕某个中心轴转动),然而,由于沙发比较大,他们如论如何也无法使沙发顺利通过拐角。
罗斯搬沙发的故事成为了剧迷们津津乐道的一个笑料,但其实,这不能怪罗斯,因为搬沙发通过拐角可不像看起来那么简单,这涉及数学领域的一个难题——移动沙发问题。
移动沙发问题来源于现实生活中推沙发经过走廊拐角的情景,但做了一些理想化的处理,比如走廊拐角和沙发都被考虑成了二维平面。移动沙发问题是这样描述的:求能通过单位宽度(即宽度为1)的L形平面通道的刚性二维形状的最大面积。
用直白的语言描述下,就是有一条宽度为1的直角走廊,如果一个沙发(沙发是刚体,不能被挤压变形)能通过,那么这个沙发的最大面积是多少?
移动沙发问题最早在1966年,由加拿大数学家利奥·莫泽提出。
1968年,英国数学家约翰·哈默斯利提出了一种简单的解法。他设计了一个老式电话听筒形状的“沙发”,由两个1/4圆和一个被挖去半圆的的矩形组成。哈默斯利得出结论:“沙发”的最大面积为 2.2074。
1992年,美国数学家约瑟夫·杰弗改进了哈默斯利的“沙发”,他提出了一种由18条光滑曲线段围成的“新沙发”,面积为2.2195,比哈默斯利的略大。但当时杰弗无法证明他的“沙发”是面积最大的。
2024年12月2日,韩国延世大学的数学研究员白真允宣称解决了移动沙发问题。他在论文预印本网站发表了一篇题为“Optimality of Gerver’s Sofa”的论文,声称美国数学家约瑟夫·杰弗是对的,即移动沙发问题的最优解是2.2195。
白真允的论文中有非常复杂的数学证明,总共有119页。但这篇论文尚未经过其他数学家的评审,结果是否正确,有待进一步验证。
如果白真允的论文结果是正确的,那么,《老友记》中的罗斯就知道该买什么样的沙发,才能顺利搬进公寓了。不过,在现实生活中,沙发制造厂可能不会生产这种造型奇怪、实用性也不强的沙发。
移动沙发问题不仅仅是一个纯粹的数学难题,研究这个问题对我们的实际生活也有重要意义。比如,通过解决这个问题,科学家可以知道如何让物体更有效地通过有限的空间,这可能在智能驾驶、导航等领域派上用场。