七桥问题。欧拉说,要一次无重复走遍这七座桥是不可能!你能说出是欧拉根据什么道理?

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一、问题的提出

18世纪,北欧的哥尼斯堡城,普雷格尔河中间有两个小岛。人们在河两岸两个小岛上,建了一个公园,并用七座桥,把两岸和两个小岛连接起来。当时的市民们热衷于一个游戏:怎样才能一次走遍这七座桥,且每座桥只能走过一次,最后又回到出发点。这就是历史上有名的七桥问题。七桥问题看似简单,但好多人都试过了,都没有找到答案。


二、七桥问题的解答

七桥问题传到彼得堡科学院,著名的数学家欧拉正在那里工作,之前他因为工作过度劳累而右眼失明。他猜想也许不存在这种走法,欧拉为了证明自己猜想,首先考虑穷举法,他仔细的把所有可能的走法列成表格,逐一检查。他发现实在是太困难了,而且穷举法不适用于桥更多时的情况。因此他放弃了穷举法。

欧拉改变了他考虑问题的方法。从七桥问题仅仅涉及物体的位置关系,而与路程无关,这一特点出发,联想到位置几何学。欧拉用点A、D表示两个小岛,点B、C表示河的两岸,再用连接两点的线表示桥,由此得到了一个由四个点和七条线组成的图形。在这里,岛的大小和桥墩的长短都是无关紧要的,这样问题就转化成为一笔画问题。1736年欧拉在彼得堡科学院做了一做了科学报告,证明了自己的猜想,彻底解决了七桥问题。


三、一笔画问题。

所谓一笔画问题,是指什么样的图形可以一笔画成,笔不离纸,并且每条线只画一次而不重复。请大家观察下面的图形。

这是四个字,在这里,我们把它看成四个图形。大家可以试验几次,只有“日”字是可以一笔画出,其余的几个都不行。很显然,像“吕”这种不连通的图是不可能一笔画成的。所谓连通的图,就是这图中任意两个顶点,可以用图中的一些线“连”连起来。但是连通的图并非都能一笔画。


画图过程实际上是把点和线相隔的排成一串,即顶点——线——顶点——线、……顶点,除起点和终点以外,画图中,每一个顶点,如果有一条线进来,必定有一条线出去,每一点应当与偶数条线相连,我们称这样的点为偶点。如果起点与终点重合,则这一点也应是偶点。凡是能一笔画成的图形,其中奇点(即与奇数条线相连的顶点)个数不能多于两个。

因此,如果一个由顶点和线组成的图,满足以下两个条件。

  1. 图形是连通的。
  2. 奇点的个数是0或2(奇点的个数是不可能为奇数的)。

那么这个图形可以一笔画成,这个条件实际上是充分必要条件。以上结论是欧拉首先给出的,所以人们也称之为欧拉路线或一笔画定理。

有了这个定理,七桥问题就迎刃而解了,大家可以观察发现,A、B、C、D四个点均为奇点。

四、进一步探讨

由七桥问题引出的一笔画问题,实际上是现代数学中的一个重要学科图论,欧拉在解决问题中使用的思想方法,正是数学领域中拓扑变换的思想萌芽。


多元视角

不管从哪个为出发点,要一次无重复走完七座桥是没有可能的。假如用点A表示小岛,用点B,C,D分别表示河岸,用连线表示对应的桥梁,那末哥尼斯堡问题就被化成如图能否一笔画出的问题。这样就比较简易清楚。



显然A,B,C,D四点都是奇点,因而此图连线不能一笔画出。也就是说,要想一次无重复地走遍七座桥是办不到的。


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哥尼斯堡七桥问题:


为了解决这个问题,欧拉并没有亲自到哥尼斯堡去,而是运用他的智慧,把问题作抽象化、数学化的处理:

将两岸和小岛缩成一个点,将桥化为边,两个点之间有边连接。

将问题转化成一笔画成几何图形问题。

依据:

如果从某一点出发,到某一点终止,全图可以一笔画出,那么中间每经过一点,总有画进那点去的一条线和从那点画出来的一条线,所以除了起点和终点那两个点以外,图形中的每个点都应该和偶数条线相连。

然而:

现在图形中有四个点都和奇数条线相连,其中B、C、D和三条线相连。

A和五条线相连。

这样图形当然不可能画出!


尚老师数学

简单的说就是一笔画的问题。大家可以下载一笔画的小游戏玩玩体会一下。

就是想一笔画下来,就是奇数点不能超过两个。

都是偶数点可以随便画,反正是能画下来。

两个奇数点,只能从奇数点到另一个奇数点。

只有一个奇数点的图像好像不存在吧。一个线段就是两个奇数点。


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