AI의 도움으로 증명한 정사각형 11개의 최적 채우기

AI-assisted proof of optimal packing for 11 squares

github.com/Queuingtheorydotcom ▲ 107 댓글 49 bluepeter

요약

정사각형 11개를 담는 가장 작은 정사각형의 한 변이 약 3.877임을 Lean으로 증명했습니다.

한 변이 1인 정사각형 11개를 큰 정사각형 안에 가장 빽빽하게 넣는 문제를 다룬 GitHub 저장소입니다. 발터 트룸프가 찾은 배치가 최적이라는 컴퓨터 보조 증명을 증명 보조기(수학 증명을 기계가 검사하는 프로그램) Lean 4로 옮겨 검증했습니다.

왜 중요한가

  • 트룸프의 배치보다 더 작게 넣는 방법이 없다는 것을 기계가 끝까지 검사해 확정했습니다.
  • 다만 이 검증은 Lean 커널뿐 아니라 네이티브 컴파일러까지 믿어야 성립한다고 저장소가 직접 밝혔습니다.

핵심 내용

  • 최적인 한 변의 길이는 8차 다항식의 한 근으로 정확히 표현되며, 값은 약 3.8771입니다.
  • 정사각형을 아무 방향으로나 돌릴 수 있고 테두리끼리 닿아도 되는 조건에서 증명했습니다.
  • 전체 검증에서 Lean 모듈 7,920개가 모두 통과했고, 증명을 비워 둔 곳(sorry)은 없었습니다.
  • 계산이 무거운 일부 수치 검산에는 코드를 컴파일해 실행하는 native_decide 기능을 썼습니다.
  • 제목과 달리 README에는 어떤 AI를 어떻게 썼는지에 대한 설명이 없습니다.

HN 반응

  • 증명을 재현 중인 한 이용자는 표준적인 경우 나누기 방식이며, AI는 아마추어도 해낼 만큼 수고를 줄였다고 설명했습니다.
  • README에 배치 그림이 없고 글도 LLM이 쓴 것 같다는 불만이 나와, 이용자들이 그림을 볼 수 있는 사이트를 공유했습니다.

댓글

30개 표시 · 전체 54개
  1. yzydserd HN

    참고로 정사각형 안에 정사각형 채우기를 다루는 대표 사이트는 https://kingbird.myphotos.cc/packing/squares_in_squares.html 입니다.

    가장 흥미로운 건 삼각형 보기 방식입니다. 이 보기 방식을 20분 동안 설명하는 영상은 https://youtu.be/uL5wuiy34rs 에 있습니다.

  2. Buttons840 HN

    "신은 죽었다. 그리고 정사각형의 최적 패킹이 그를 죽였다." 이 괴물 같은 배치들을 볼 때마다 이 밈이 떠올라요. 이해는 하겠는데, 마음에 들지는 않네요. ;)

  3. PowerElectronix HN

    제 택배가 다 찌그러져서 도착하면 이유는 이거겠네요. 22개가 아니라 다른 택배 23개와 같이 실렸는데, 기사님이 정사각형 최적 패킹 해법을 꿰고 있는 거죠.

  4. woah HN

    83과 87은 왜 더 작아질 수 없는지 설명해 주실 분 계신가요?

  5. entropicdrifter HN

    바깥 테두리가 정사각형이어야 하니까요. 83과 87은 한쪽 방향으로는 바깥 테두리를 줄일 수 있지만, 두 방향을 동시에 줄일 수는 없습니다.

  6. sheept HN

    줄일 수 있을 가능성도 있습니다. 목록에 있는 83과 87의 배치가 최적이라는 건 아직 증명되지 않았습니다.

  7. danbruc HN

    어느 블록을 움직이면 해를 더 작게 만들 수 있다고 생각하세요? 아니면 아예 다른 배치를 떠올리고 계신 건가요?

  8. woah HN

    저는 어떤 이유에선지 안쪽 블록 상당수가 렌더링되지 않았거든요 ㅎㅎ

  9. dkural HN

    처음 보기만큼 제멋대로이거나 못생긴 배치는 아닙니다. 그림과 설명은 여기서 볼 수 있습니다: https://x.com/davidmbudden/status/2107646435659481548

  10. ohyoutravel HN

    흥미로워 보이는데, 혹시 nitter 버전 같은 건 없나요? 아니면 누가 그 이미지를 받아서 트위터가 아닌 곳에 올려 주실 수 있을까요?

  11. Varelion HN

    X 링크는 안 누르겠지만, 말씀은 고맙습니다.

  12. mplewis HN

    X 말고 다른 곳에 올라온 설명은 없나요?

  13. robinhouston HN

    언급된 논문은 이것입니다: https://pingyou.com/papers/eleven-squares.pdf

    저는 이게 깊은 의미가 있는지는 잘 모르겠습니다.

  14. 8bitsrule HN

    수학에서 해답은 언제나 의미가 있습니다.

  15. DevelopingElk HN

    저는 이 증명을 일부 변경을 주면서 재현하는 작업을 하고 있습니다. 기본 접근법은 컴퓨터를 활용하는 표준적인 '불가피 집합(unavoidable set)' 방식입니다. 먼저 정사각형 두 개의 중심이 한 영역에 함께 들어갈 수 없을 만큼 작은 영역들을 정합니다. 기사에서는 16개를 썼습니다. 각 영역에는 정사각형이 있거나 없거나 둘 중 하나이므로, 경우의 수는 16개 중 11개를 고르는 조합, 약 2000가지입니다. 각 경우를 하나씩 배제해 나가는 겁니다. 반드시 정사각형으로 덮여야 하는 구역을 찾아내고, 그 정보를 전파하는 식으로요. 1989년에 스트롬퀴스트(Stromquist)가 했던 것처럼 패킹 LP를 써서 더 많은 배치를 배제할 수도 있습니다. 그다음 남은 경우만 골라 더 잘게 나눕니다.

    제 생각에 AI 이전에 이 증명이 나오지 않은 유일한 이유는 이 주제가 진지하게 다뤄지지 않았기 때문입니다. 1989년의 컴퓨터로는 경우의 수를 감당할 수 없었습니다. 하지만 기본 재료는 케플러 추측 증명에 이미 다 있었습니다. AI가 한 일은 정사각형 패킹이 그저 좋아서 달려든 아마추어도 이런 증명을 해내고 형식 검증까지 할 수 있을 만큼 수고를 덜어 준 것입니다. 저도 그런 아마추어 중 하나라고 생각합니다. 그러니 이건 AI가 수학자의 증명을 가로챈 사례도, 초인적인 일을 해낸 사례도 아닙니다. 민주화에 가깝습니다. AI가 수학에 미치는 영향도, AI 기업들의 행태도 걱정스럽긴 하지만, 이 사례는 걱정할 대상이 아닙니다. 이 배치가 최적임을 증명하는 계산은 앞으로도 손으로 검산하기에는 너무 큽니다. 다만 저는 각 배치를 기각하는 패킹 LP나 코어 겹침을 보여 주는 멋진 시각화를 만들어 보고 싶습니다.

  16. meowkit HN

    이건 정말 시각화가 있었으면 좋겠습니다.

    "정사각형 두 개가 들어가지 않는 영역을 고른다 -> 16(??)"

    저는 고급 수학을 (능숙하진 않아도) 읽을 줄은 안다고 생각하는데, 이 대목은 헷갈리고 제 쪽에서 가정을 많이 깔아야 이해가 됩니다.

  17. DevelopingElk HN

    더 쉽게 보자면, 먼저 큰 정사각형에서 가장자리로부터 0.5 단위 떨어진 중앙 영역에 주목하세요. 정사각형의 중심은 모두 이 영역 안에 있어야 합니다. 이 영역을 크기가 같은 정사각형 타일 25개의 격자로 나눕니다. 이제 각 타일은 정사각형 두 개의 중심이 같은 타일 안에 들어갈 수 없을 만큼 작습니다. 그러면 가능한 경우는 25개 중 11개를 고르는 조합이 됩니다. 기사에서는 이 영역을 대신 육각형으로 나눴는데, 이 육각형도 정사각형 두 개의 중심이 같은 육각형 안에 들어갈 수 없을 만큼 작았습니다. 덕분에 타일을 16개만 쓸 수 있었고, 가능한 경우의 수가 크게 줄었습니다.

  18. WithinReason HN

    여러 정사각형 패킹을 이미지와 함께 모아 놓은 목록입니다.

    https://jlevy.github.io/squares/

  19. aunty_helen HN

    저는 기하학을 좋아하는데, 이 패킹들을 보면 51처럼 못생긴 숫자가 있네요.

  20. s0rce HN

    ㅎㅎ 105는 엉망이에요.

  21. vintermann HN

    예쁘네요! OEIS를 확인해 봤는데, "흥미로운" 타일링은 k < floor(sqrt(k)) * ceiling(sqrt(k))를 만족하는 수 k에서 나타나는 것 같습니다(A189151).

    이런 타일링을 찾는 사람들한테는 당연한 얘기일 수도 있지만, 저는 꽤 깔끔하다고 생각했습니다.

  22. agnishom HN

    README에 패킹을 설명하는 그림이 없네요 :(

  23. fredsted HN

    여기에 멋진 그림이 있어요: https://x.com/ojoshe/status/2107590622005924265

  24. wackget HN

    네오 트위터에 클릭을 바치지 않아도 되는 미러는 없을까요?

  25. schiffern HN

    https://kingbird.myphotos.cc/packing/squares_in_squares.html

    다른 패킹(원 안에 원 등)이 더 보고 싶으시면 이 페이지를 확인해 보세요: https://erich-friedman.github.io/packing/index.html

  26. vessenes HN

    저도 같은 생각을 했어요! 그림 좀 보여 주세요.

    수정: 몇 개 아래 링크에서 찾았습니다. https://jlevy.github.io/squares/cases/11.html

  27. jo-han HN
  28. fwip HN

    README도 전부 LLM이 쓴 것 같아요.

    저는 정말 이해가 안 가요. 뭔가 멋진 일을 해냈다고 생각한다면 왜 자기 말로 이야기하고 싶지 않을까요?

  29. mlmonkey HN

    더 많은 그림은 여기 있습니다: https://jlevy.github.io/squares/

  30. brabel HN

    엉망으로 흐트러진 배치가 가지런히 정렬한 배치보다 더 최적일 수 있다는 건 직관에 반합니다. 지금까지 나온 최선의 해들을 보면 대체로 깔끔한 배치가 최선이긴 한데, 항상 그런 건 아니고요. 이 어수선한 경우들은 어떻게 설명해야 할까요?? 나눗셈 때문에 무리수가 나올 수 있는 것과 관련이 있나요? 그래서 최적으로 넣을 수 있는 정사각형 수가 어느 선에 가까워지면 이렇게 어수선한 배치가 나오는 건가요?

Hacker News에서 보기 ↗