日本地図を(隣り合う都道府県が違う色になるように)3色で塗り分けることは可能か?

(過去ツイートの再掲です)

 

四色定理により、地図は四色で塗り分けることができることが保証されている。*1では、日本地図は三色で塗り分けることはできるだろうか?

補足

日本地図を見ると、群馬・栃木・埼玉・茨城あたりの県境が密集していて見にくくなっている。ここらへんを詳細な地図で拡大すると以下のようになっている。

つまり、栃木県と埼玉県は隣接しているが、群馬県茨城県は隣接していないことに注意。ちなみに「栃木・群馬・埼玉の3県境」と「栃木・茨城・埼玉の3県境」は2km程度しか離れていないらしい。

まあとにかく、「栃木・群馬・埼玉」と「栃木・茨城・埼玉」の3つ組はそれぞれ違う色で塗られることになるため、必然的に群馬と茨城は同じ色となる。

答え

正解は「できない」である。

証明の方法は色々ある。

例えば、岐阜の色を決め打ちしたとする。

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すると、岐阜と隣接している富山・石川・福井・滋賀・三重・愛知・長野は岐阜と同じ色が使えないので必然的に残りの2色で塗ることになる。

すると、円環状に並んでいる7県については、残りの色を交互に置かなくてはいけない。

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最終的にこうなる。すると(上記の図の場合)長野に使える色はないため、3色で塗り分けることはできないことが示された。

余談

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長野県以外の46都道府県については3色で塗り分けることができる。

*1:同じ都道府県を同じ色で塗るという前提のもとだと、飛び地がある場合に塗り分け不能となる可能性がある。ここで、飛び地の形状をうまくいじることで、グラフの彩色数は限りなく大きくさせることが可能である。