七橋問題。歐拉說,要一次無重複走遍這七座橋是不可能!你能說出是歐拉根據什麼道理?

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一、問題的提出

18世紀,北歐的哥尼斯堡城,普雷格爾河中間有兩個小島。人們在河兩岸兩個小島上,建了一個公園,並用七座橋,把兩岸和兩個小島連接起來。當時的市民們熱衷於一個遊戲:怎樣才能一次走遍這七座橋,且每座橋只能走過一次,最後又回到出發點。這就是歷史上有名的七橋問題。七橋問題看似簡單,但好多人都試過了,都沒有找到答案。


二、七橋問題的解答

七橋問題傳到彼得堡科學院,著名的數學家歐拉正在那裡工作,之前他因為工作過度勞累而右眼失明。他猜想也許不存在這種走法,歐拉為了證明自己猜想,首先考慮窮舉法,他仔細的把所有可能的走法列成表格,逐一檢查。他發現實在是太困難了,而且窮舉法不適用於橋更多時的情況。因此他放棄了窮舉法。

歐拉改變了他考慮問題的方法。從七橋問題僅僅涉及物體的位置關係,而與路程無關,這一特點出發,聯想到位置幾何學。歐拉用點A、D表示兩個小島,點B、C表示河的兩岸,再用連接兩點的線表示橋,由此得到了一個由四個點和七條線組成的圖形。在這裡,島的大小和橋墩的長短都是無關緊要的,這樣問題就轉化成為一筆畫問題。1736年歐拉在彼得堡科學院做了一做了科學報告,證明了自己的猜想,徹底解決了七橋問題。


三、一筆畫問題。

所謂一筆畫問題,是指什麼樣的圖形可以一筆畫成,筆不離紙,並且每條線只畫一次而不重複。請大家觀察下面的圖形。

這是四個字,在這裡,我們把它看成四個圖形。大家可以試驗幾次,只有“日”字是可以一筆畫出,其餘的幾個都不行。很顯然,像“呂”這種不連通的圖是不可能一筆畫成的。所謂連通的圖,就是這圖中任意兩個頂點,可以用圖中的一些線“連”連起來。但是連通的圖並非都能一筆畫。


畫圖過程實際上是把點和線相隔的排成一串,即頂點——線——頂點——線、……頂點,除起點和終點以外,畫圖中,每一個頂點,如果有一條線進來,必定有一條線出去,每一點應當與偶數條線相連,我們稱這樣的點為偶點。如果起點與終點重合,則這一點也應是偶點。凡是能一筆畫成的圖形,其中奇點(即與奇數條線相連的頂點)個數不能多於兩個。

因此,如果一個由頂點和線組成的圖,滿足以下兩個條件。

  1. 圖形是連通的。
  2. 奇點的個數是0或2(奇點的個數是不可能為奇數的)。

那麼這個圖形可以一筆畫成,這個條件實際上是充分必要條件。以上結論是歐拉首先給出的,所以人們也稱之為歐拉路線或一筆畫定理。

有了這個定理,七橋問題就迎刃而解了,大家可以觀察發現,A、B、C、D四個點均為奇點。

四、進一步探討

由七橋問題引出的一筆畫問題,實際上是現代數學中的一個重要學科圖論,歐拉在解決問題中使用的思想方法,正是數學領域中拓撲變換的思想萌芽。


多元視角

不管從哪個為出發點,要一次無重複走完七座橋是沒有可能的。假如用點A表示小島,用點B,C,D分別表示河岸,用連線表示對應的橋樑,那末哥尼斯堡問題就被化成如圖能否一筆畫出的問題。這樣就比較簡易清楚。



顯然A,B,C,D四點都是奇點,因而此圖連線不能一筆畫出。也就是說,要想一次無重複地走遍七座橋是辦不到的。


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哥尼斯堡七橋問題:


為了解決這個問題,歐拉並沒有親自到哥尼斯堡去,而是運用他的智慧,把問題作抽象化、數學化的處理:

將兩岸和小島縮成一個點,將橋化為邊,兩個點之間有邊連接。

將問題轉化成一筆畫成幾何圖形問題。

依據:

如果從某一點出發,到某一點終止,全圖可以一筆畫出,那麼中間每經過一點,總有畫進那點去的一條線和從那點畫出來的一條線,所以除了起點和終點那兩個點以外,圖形中的每個點都應該和偶數條線相連。

然而:

現在圖形中有四個點都和奇數條線相連,其中B、C、D和三條線相連。

A和五條線相連。

這樣圖形當然不可能畫出!


尚老師數學

簡單的說就是一筆畫的問題。大家可以下載一筆畫的小遊戲玩玩體會一下。

就是想一筆畫下來,就是奇數點不能超過兩個。

都是偶數點可以隨便畫,反正是能畫下來。

兩個奇數點,只能從奇數點到另一個奇數點。

只有一個奇數點的圖像好像不存在吧。一個線段就是兩個奇數點。


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