Давным давно, когда был я чуть ли ещё не школьником, была у меня глупая привычка покупать научные книжки, даже если я и не очень понимал что в них написано. Одной из таких книжек (точнее, это были два тома) была монография “Упаковки шаров, решетки и группы” Конвея и Слоэна. Очень мне понравилась тогда бумага, на которой она напечатана — с одной стороны листа гладкая, а с другой — шершавая. И содержание тоже ничего было, хоть я тогда и много не понимал. И вот что меня поразило: оказывается, ко времени написания книжки не была доказана оптимальность даже гранецентрированной кубической упаковки в трёхмерье. Там, если я помню правильно, про эту оптимальность было написано как-то так: "все математики верят, а физики знают". Ещё я из этой книжки вынес, что размерности 8 и 24 --- какие-то особенные.
Так вот, оказывается, с тех пор многое изменилось. Оптимальность гранецентрированной кубической упаковки доказана в 1998 г. Томасом Халесом (Thomas Hales). А в начале этого года совсем молодая девушка-математик Марина Вязовска доказала оптимальность упаковки в восьмимерье (arXiv:1603.04246). И буквально через неделю вышла работа arXiv:1603.06518 с доказательством оптимальности упаковки для решётки Лича в 24-мерье, основанная на доказательстве в восьмимерье.
Работа Марины Вязовской концептуально очень ясная и опирается на ограничение на плотность упаковки сверху, полученное в работе arXiv:math/0110009. Это простое и, как оказывается, очень мощное ограничение доказывается с помощью формулы суммирования Пуассона. Если Фурье-преобразование функции определить формулой
Доказательство совсем не сложное: пусть периодичность упаковки определяется решёткой , причём в элементарной ячейке находится шаров. Для дальнейшего удобно считать, что радиус шаров равен , так что расстояния между центрами любых двух не меньше единицы. Пусть расположение центров в элементарной ячейке задаётся векторами . Запишем формулу суммирования Пуассона в таком виде
Так вот, оказывается, с тех пор многое изменилось. Оптимальность гранецентрированной кубической упаковки доказана в 1998 г. Томасом Халесом (Thomas Hales). А в начале этого года совсем молодая девушка-математик Марина Вязовска доказала оптимальность упаковки в восьмимерье (arXiv:1603.04246). И буквально через неделю вышла работа arXiv:1603.06518 с доказательством оптимальности упаковки для решётки Лича в 24-мерье, основанная на доказательстве в восьмимерье.
Работа Марины Вязовской концептуально очень ясная и опирается на ограничение на плотность упаковки сверху, полученное в работе arXiv:math/0110009. Это простое и, как оказывается, очень мощное ограничение доказывается с помощью формулы суммирования Пуассона. Если Фурье-преобразование функции определить формулой
то справедлива следующая формула:
Здесь — любая решётка в , — объём её элементарной ячейки, — двойственная к решётка. Если не гнаться за строгостью, эту формулу можно доказать
так:
Ну, естественно, чтобы формула имела смысл, нужно чтобы функция и
её Фурье-образ достаточно быстро спадали на бесконечности. Если сдвинуть
аргумент в правой части на , то из свойств Фурье-преобразования
имеем
Это как раз формула (2.1) из math/0110009.
Далее доказывается следующая теорема. Допустим, что мы нашли функцию
со следующими свойствами
Тогда центральная плотность (=число центров единичных шаров на единичный
объём) периодических упаковок ограничена сверху величиной .
Вот такое неожиданное утверждение --- где функция, а где
упаковка.
Доказательство совсем не сложное: пусть периодичность упаковки определяется решёткой , причём в элементарной ячейке находится шаров. Для дальнейшего удобно считать, что радиус шаров равен , так что расстояния между центрами любых двух не меньше единицы. Пусть расположение центров в элементарной ячейке задаётся векторами . Запишем формулу суммирования Пуассона в таком виде
Аргумент
в левой части можно рассматривать как вектор, соединяющий центры шаров
в точках и .
Поэтому он может быть по модулю меньше единицы только если это один
и тот же шар, т.е. , . А значит, левая часть
не больше . В правой части все слагаемые неотрицательны,
поэтому она не меньше одного члена суммы с , т.е.
. Поэтому получаем
Поскольку наши шары имеют радиус , центральная плотность равна
и мы имеем желаемое утверждение
А что же сделала Марина Вязовска? Она построила
для такую функцию , что выведенная
оценка сверху оказывается совпадающей с плотностью решётки , которая определяется как
Ясно, что это сделать ну очень непросто: те члены сумм в обеих частях
равенства , которыми мы пренебрегали для получения
неравенства, должны быть равны нулю чтобы позволить точное равенство. Кстати, уже из определения решётки видно, чем замечательно 8-мерное пространство. Расстояние между точками решетки и равно , как и расстояние между и . Можно посчитать контактное число:
Как построена требуемая функция напишу как-нибудь в другой раз.