■地図の塗り分け

【1】2色問題

 紙の上に鉛筆で閉曲線を描く.その際,自分自身と交差すること,また,交点では2個以上の弧が交わってもよいことにする.次に,閉曲線から得られた地図に色を塗るのだが,ある国を黒く塗りつぶし,国境線で隣り合う国はそのままにしておく.

 その結果は市松模様となるが,これは偶然ではない.この事実を初めて知ったのは高校生のときであるが驚き,そして不思議に思ったものである.

 しかし,2色定理の証明はあっけないほど簡単である.どの隣接する2面も同じ色でないように,白と黒の市松模様に塗ることができるためには,1の頂点で偶数の面が交わらなければならない(=頂点の次数はすべて4以上の偶数)ことに気づきさえすればよい.

 境界を接する2面(辺を共有する2面)が同じ色にならないように塗り分けるのに,2色しか必要としないのは驚くべきことである.地図が2色で塗り分けられるための必要十分条件を見いだす問題(=2色問題)は地図塗り分け問題の特別な場合にあたるのである.

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【2】4色問題

 平面上の任意の地図を塗り分けるには4色が必要かつ十分である(4色問題)も素人でも理解できる問題である.

 見た目には簡単には思えるが,実は容易に解ける問題ではなく,多くの間違った証明を生み出し,失敗と部分的解決が繰り返されてきた悪名高い問題であるが,1976年,ハーケンとアッペルは4色問題(1852年)が正しいことを,コンピュータ計算による網羅的な探求により示した.かくして4色問題は4色定理となったのである.

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【3】7色問題

 このように平面(球面)の塗り分け問題は比較的最近解決されたが,トーラス上の地図の塗り分けについては,7色必要な場合があり,また7色で常に十分であることがそれ以前から知られていたのである.

 地図の彩色数はオイラー標数とは別の,表面の不変量である.

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