Zur Rehr-Vermutung

Halbes Gegenbeispiel von Richard Jana

Die Rehr-Vermutung war auch Thema in der Vorlesung "Diskrete und Experimentelle Optimierung", im Sommersemester 2014 an der FSU Jena. Der Student Richard Jana fand mehrere Beispiele für Polynome vom Grad 5, bei der die Rehr-Vermutung in einem gewissen Sinne nicht gilt. Alle diese Beispiele haben drei äussere Nullstellen A, D, E und im Inneren der konvexen Hülle von A, D, E zwei weitere Nullstellen B und C. Wie im folgenden Diagramm zu sehen, schliesst der Streckenzug von A nach B nach C nach D ein kleines Dreieck mit Ecken B, C, X ein.

Wird dieses Dreieck als Inneres des geschlossenen Streckenzuges A -> B -> C -> D -> E -> A gewertet, so sind die Beispiele von Herrn Jana keine Gegenbeispiele zur Rehr-Vermutung. Es gibt jedoch ein Standard-Argument, das die Unterscheidung innen und aussen anders fasst: "Als Inneres eines geschlossenen Kantenzuges zählen genau die Punkte Z in der Ebene, für die ein Strahl, der in Z beginnt und ins Unendliche führt, den Streckenzug eine ungerade Anzahl von Malen kreuzt. In diesem Sinn sind die Punkte im Inneren des Dreiecks BCX nicht Inneres, weil es von ihnen aus zwei Kreuzungen mit dem roten Streckenzug gibt.




Eines der konkreten Beispiele von Richard Jana ist durch folgende Koordinaten gegeben:

Die Nullstellen des Polynoms fünften Grades sind:
0.3076 + 0.4837i
0.4095 + 0.0549i
0.6099 + 0.0159i
0.4412 + 0.1086i
0.4286 + 0.1531i.

Die zugehörigen Koeffizienten dieses Polynoms sind:
1.0000
-2.1968 - 0.8162i
1.7098 + 1.4985i
-0.5370 - 1.0006i
0.0428 + 0.2863i
0.0053 - 0.0294i.

Als Koeffizienten der Ableitung ergeben sich:
5.0000
-8.7872 - 3.2648i
5.1294 + 4.4956i
-1.0741 - 2.0011i
0.0428 + 0.2863i.

Die Nullstellen der Ableitung sind (gerundet):
0.5657 + 0.0391i
0.4332 + 0.1334i
0.3374 + 0.4040i
0.4211 + 0.0764i.

Dabei sind bis auf die Nullstellen der Ableitung alle Werte exakt. (Durch Kürzen der Koeffizienten der Ableitung wäre eine Ziffer hinzu gekommen, was in MATLAB das Ablesen erschwert. Deshalb sind die Werte hier ungekürzt genannt.) Die Nullstellen der Ableitung sind auf vier Nachkommastellen gerundet.
Die Koeffizienten beginnen beim jeweils grössten Exponenten und steigen dann der Reihe nach ab.


Gefunden hat Herr Jana die Gegenbeispiele mit dem Monte-Carlo-Ansatz. Er hat zufällige Mengen von fünf Punkten in der komplexen Zahlenebene generiert und dann überprüft, ob bzw. in welchem Sinn die Rehr-Vermutung erfüllt ist. Bei drei Millionen Beispielen gab es Gegenbeispiele im Sinne von oben in etwa 1,2 Promille der Fälle.




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