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1701019070 某地一个学校内,有收容15个女生的宿舍一所。为了健康的目的,三人一组地分为五组,作郊外散步的计划。如果每组的人,每天全是同样的人,当然感觉到乏味,而且同学之间的友谊,也不能发展。因此规定在每一周,任何人都有与其他同学一度同组之机会。究竟应当怎样分配学生,才合乎这个理想?这实在是一个使舍监煞费思考的问题。也就是所谓的寇克满的女生问题。
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1701019072 这一问题是英国数学家柯克曼(Thomas Penyngton Kirkman,1806—1895)在1850年提出的。用数学语言把该问题抽象化,就有如下的叙述。
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1701019077 ◀ 图9.8.3 《数学方法趣引》封面
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1701019079 给定一个含有v=15个元素的集合S,要求设计一个由S的若干个k=3元子集(称为“区组”(block))构成的子集族B,使其满足:
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1701019081 (1)S的每个元素恰在r=7个区组中;
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1701019083 (2)S的每个二元子集恰在λ=1个区组中;
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1701019085 (3)B中所有的区组恰可以形成S的b=7个划分。
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1701019087 满足以上条件(1)和(2)的组合设计,被称为“斯坦纳三元系”(Steiner triple system),记为B[3;1;15]。一般地可以有B[k;λ;v],称为“斯坦纳系”,其正式名称叫做“平衡不完全区组设计”。注意,条件(1)中的r=7可由参数k,λ,v推出。斯坦纳(Jakob Steiner,1796—1863)是瑞士数学家。
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1701019089 如果不仅满足条件(1)和(2),还满足条件(3),该组合设计就被称为“柯克曼三元系”(Kirkman triple system),记为RB[3;1;15]。一般地可以有RB[k;λ;v],称为“柯克曼系”,其正式名称叫做“可解平衡不完全区组设计”。注意,条件(3)中的b=7也可由参数k,λ,v推出。
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1701019091 研究斯坦纳三元系和柯克曼三元系的主要任务,是要确定使B[3;1;v]和RB[3;1;v]存在的所有的v,并要了解那些存在解的种种性质。“柯克曼女生问题”就是RB[3;1;15],已经知道它的解是存在的。孙泽瀛在书中给出了两组答案。
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1701019093 答案一(用0-14编号来表示15位女生)
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1701019095 周日 014;21314;3511;6710;89 12周一 028;17 14;31012;41113;5 6 9周二 0314;18 10;2911;4612;57 13周三 079;11213;26 3;458;101114周四 0510;16 11;2712;3813;4914周五 06 13;13 9;2410;51214;7 8 11周六 01112;12 5;347;684;9 1013
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1701019097 答案二
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1701019099 周日 014;29 11;31012;5713;68 14周一 028;112 13;347;569;10 11 14周二 0314;12 5;4612;7811;91013周三 0510;16 11;2712;3813;4 9 14周四 0613;17 14;2410;3511;8912周五 079;18 10;236;41113;51214周六 01112;213 14;458;13 9;6 7 10
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1701019101 斯坦纳三元系存在的充要条件已经得到,那就是
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1701019103 v>1且v≡1,3 mod 6。
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1701019105 但是柯克曼三元系存在的充要条件当时尚未完全确定。孙泽瀛最后指出:如何由斯坦纳系划分为几个柯克曼系,这又是一个很难解决的问题,至今尚未有肯定的答案。
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1701019107 3.陆家羲的功绩
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1701019109 孙泽瀛可能从未想到,他写的《数学方法趣引》这本薄薄的书,会让一位普通的中国青年跳入深深的数学之河。在以后的20多年里,这位青年在艰苦的环境中孤军奋战,竟然独立解决了一连串斯坦纳系和柯克曼系的难题,震动了中外数学界。这位令人肃然起敬的中国数学家就是陆家羲。
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1701019111 陆家羲1935年6月10日出生于上海一个贫苦的市民家庭。父亲以贩卖酱油精为生,以微薄的收入供儿子读书。14岁读初中时,父亲不幸病逝,他只好辍学,到一个汽车五金行做学徒工。1951年考入东北电器工业管理局统计训练班,3个月后分配到哈尔滨电机厂生产科任统计。业余时间补习高中课程。
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1701019113 1957年,陆家羲考入东北师范大学物理系。就在这一年,他看到了《数学方法趣引》这本书,被其中的“柯克曼女生问题”深深吸引,开始下决心要研究它。
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1701019115 1961年大学毕业后,陆家羲先后在内蒙古包头钢铁学院、包头市教育局教研室工作,接着又到包头几个中学任教,最后留在包头九中任物理老师。在以优异的成绩完成本职工作之余,他花费了大量的时间、精力和金钱来从事自己的研究。他利用假期坐火车去北京,在北京图书馆查阅最新的中外组合数学专著和期刊。为了节省钱,甚至晚上就和衣睡在北京火车站的广场上。
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1701019117 就在1961年,陆家羲已证明了RB[3;1;v](柯克曼三元系)存在的充要条件是v≡3 mod 6,并证明了RB[4;1;v](柯克曼四元系)存在的充要条件是v≡4 mod 12。他把写好的论文几度投给了国内的一些数学期刊。遗憾的是,当时国内并没有多少人了解组合数学。他的投稿均遭退回(可惜审稿人中没有孙泽瀛,否则情况可能会完全不同)。
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1701019119 10年以后,1972年,柯克曼三元系和四元系存在的充要条件先后被外国数学家证明。陆家羲失去了本应属于他的荣誉。
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