03.06 哪張圖是一筆畫不成的?

滔而不絕


什麼樣的圖形只用一筆就能畫出來?筆既不離開紙面,也不重複。這實際上是十八世紀一個經典的數學問題:哥尼斯堡七橋問題。

七橋問題

在普魯士的哥尼斯堡(今俄羅斯加里寧格勒)有一個公園,公園裡有七座橋將普雷格爾河中兩個島與與河岸連接起來。

1736年,當地居民舉辦了一項有意思的健身活動:在星期六作一次走過所有七座橋的散步,每座橋只能經過一次而且起點與終點必須是同一地點。


有許多人進行了嘗試,但是都失敗了。此時當時世界上最偉大的數學家歐拉剛好在這裡,他敏銳的發現這裡蘊藏著深刻的數學內涵,並把它稱為一筆畫問題。

歐拉把七座橋畫作七條線段,並把問題轉化為是否可以通過一筆將這個圖形畫出來。經過思考,歐拉認為這是不可能的。


不僅如此,歐拉還得出了哪些圖形可以一筆畫,哪些不能一筆畫的條件。

首先,歐拉把圖形中的點分為兩種:如果過該點的線段有偶數條,就稱為偶點;如果過該點的線段有奇數條,就稱為奇點。比如下面的圖形中,紅色圓圈的點就是偶點,綠色圓圈的點就是奇點。


歐拉指出:如果一個圖形可以一筆畫,那麼它的奇點個數一定是0個或者2個。


如果奇點個數是0個,那麼起點和終點是同一個點,從圖形中任何一點出發都可以一筆畫,比如上圖中左邊的圖形就是這樣。


如果奇點個數是2個,那麼只能從一個奇點出發,畫到另一個奇點,才能將圖形畫出來,這就是上圖中右邊的情況。


理解這個問題其實並不難,因為:

  1. 如果一個點既不是起點也不是終點,那麼線段經過該點時必然會一進一出,線段成對出現,一定是偶點。

  2. 如果起點和終點是一個點,那麼該點有一條出發線段和一條結束線段,也是偶點。

  3. 如果這個點只是出發點,或者只是結束點,才可能是奇點。

所以,如果從一點出發一筆畫回到這個點,圖形中就不會有奇點;如果從一點出發一筆畫到另一點,圖形中就會有兩個奇點。


比如,我們來看看“日”是否能一筆畫?

由於日字腰上兩個點有三條線段,因此是奇點,其餘點都有兩條線段,是偶點。因此日字可以一筆畫,而且必須從腰上的一點出發到另一點結束。按照圖中1234567的順序,就能畫出來了。

我們再來看看格尼斯堡七橋問題。

在這個圖形中,過A、C或D各有3條線段,是奇點;過B有5條線段,也是奇點。圖中有4個奇點,因此是不能一筆畫的。


對於題主提出的四個圖,每個圖奇點個數分別是:4、2、0、2,所以第一個圖不能一筆畫,而後面三個圖可以。


說了這麼多,讀者是不是可以看看“田”字中有幾個奇點?能不能一筆畫呢?


歐拉

歐拉向聖彼得堡科學院提交《哥尼斯堡的七座橋》的論文時,只有29歲,在解答問題的同時,他開創了數學的一個新的分支——圖論與幾何拓撲。


歐拉是一個天才,在數學史上的地位就像牛頓在物理學的地位一般偉大,我們在研究數學時會經常看到歐拉公式、歐拉定理、歐拉函數。他13歲進大學學習,16歲就獲得了碩士學位。28歲時,由於生病,歐拉的右眼失明瞭。晚年時左眼也失明瞭。但是就在雙目失明的情況下,歐拉還憑藉心算解決了許多的數學問題。


他不光是數學史上里程碑式的人物,同時也是一位物理學家,為物理學的發展鋪平了數學的道路。在他的一生中寫出了886本書籍和論文,彼得堡科學院為了整理他的著作,足足忙了47年!


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