人教版教材《數(shù)學(xué)》六年級(jí)下冊(cè)第95頁(yè)介紹了古典數(shù)學(xué)名題《七橋問(wèn)題》:
18世紀(jì)東普魯士的哥尼斯堡城,有一條河穿過(guò),河上有兩個(gè)小島,有七座橋把兩個(gè)島與河岸聯(lián)系起來(lái)(如圖1)。有人提出一個(gè)問(wèn)題:一個(gè)步行者怎樣才能不重復(fù)、不遺漏地一次走完七座橋,最后回到出發(fā)點(diǎn)?
這個(gè)問(wèn)題似乎不難,誰(shuí)都樂(lè)意用它來(lái)測(cè)試一下自己的智力??墒牵l(shuí)也沒(méi)有想到,這是一個(gè)不可能問(wèn)題。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí),誰(shuí)也沒(méi)有找到一條這樣的路線,連以博學(xué)著稱的大學(xué)教授們,也感到一籌莫展?!捌邩騿?wèn)題”難住了哥尼斯堡的所有居民,哥尼斯堡城也因“七橋問(wèn)題”而出了名。
哥尼斯堡七橋問(wèn)題傳開(kāi)了。1735年,瑞士的大數(shù)學(xué)家歐拉在俄國(guó)彼得堡聽(tīng)到了這個(gè)問(wèn)題,并引起極大的興趣。歐拉沒(méi)有去過(guò)哥尼斯堡,他也沒(méi)有去親自測(cè)試可能的路線。他知道,如果沿著所有可能的路線都走一次的話,一共要走5040次,就算是一天走一次,也需要13年多的時(shí)間。實(shí)際上,歐拉只用了半天時(shí)間就解決了七橋問(wèn)題。
剖析一下歐拉的解法是饒有趣味的。
首先,歐拉把七橋問(wèn)題抽象成一個(gè)合適的“數(shù)學(xué)模型”。他想:兩岸的陸地與河中的小島,都是橋梁的連接點(diǎn),它們的大小、形狀均與問(wèn)題本身無(wú)關(guān)。因此,不妨把它們看做是4個(gè)點(diǎn)。7座橋是7條必須經(jīng)過(guò)的路線,它們的長(zhǎng)短、曲直,也與問(wèn)題本身無(wú)關(guān)。因此,不妨任意畫(huà)7條線來(lái)表示它們(如圖2)。
就這樣,歐拉將七橋問(wèn)題抽象成了一個(gè)“一筆畫(huà)”問(wèn)題。怎樣不重復(fù)地通過(guò)7座橋,變成了怎樣不重復(fù)地畫(huà)出一個(gè)幾何圖形的問(wèn)題。
原先,人們是要求找出一條不重復(fù)的路線。歐拉想,成千上萬(wàn)的人都失敗了,這樣的路線也許是根本不存在的。如果根本不存在,硬要去尋找它豈不是白費(fèi)力氣!于是,歐拉接下來(lái)著手判斷:這種不重復(fù)的路線究竟存在不存在?由于這么改變了一下提問(wèn)的角度,歐拉抓住了問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。
最后,歐拉認(rèn)真考察了一筆畫(huà)圖形的結(jié)構(gòu)特征。
歐拉發(fā)現(xiàn),凡是能用一筆畫(huà)成的圖形,都有這樣一個(gè)特點(diǎn):每當(dāng)你用筆畫(huà)一條線進(jìn)入中間的一個(gè)點(diǎn)時(shí),你還必須畫(huà)一條線離開(kāi)這個(gè)點(diǎn)。否則,整個(gè)圖形就不可能用一筆畫(huà)出。也就是說(shuō),單獨(dú)考察圖中的任何一個(gè)點(diǎn)(除起點(diǎn)和終點(diǎn)外),它都應(yīng)該與偶數(shù)條線相連;如果起點(diǎn)與終點(diǎn)重合,那么,連這個(gè)點(diǎn)也應(yīng)該與偶數(shù)條線相連。
在七橋問(wèn)題的幾何圖中,B、C、D三點(diǎn)分別與3條線相連,A點(diǎn)與5條線相連。連線都是奇數(shù)條。因此,歐拉斷定:一筆畫(huà)出這個(gè)圖形是不可能的。也就是說(shuō),不重復(fù)地通過(guò)7座橋的路線是根本不存在的!
歐拉通過(guò)對(duì)七橋問(wèn)題的研究,不僅圓滿地回答了哥尼斯堡居民提出的問(wèn)題,而且得到并證明了如下有關(guān)一筆畫(huà)的三條結(jié)論:
(1)凡是由偶點(diǎn)組成的連通圖,一定可以一筆畫(huà)成。畫(huà)時(shí)可以把任一偶點(diǎn)為起點(diǎn),最后一定能以這個(gè)點(diǎn)為終點(diǎn)畫(huà)完此圖。
?。?)凡是只有兩個(gè)奇點(diǎn)的連通圖(其余都為偶點(diǎn)),一定可以一筆畫(huà)成。畫(huà)時(shí)必須把一個(gè)奇點(diǎn)為起點(diǎn),另一個(gè)奇點(diǎn)終點(diǎn)
(3)其他情況的圖都不能一筆畫(huà)出。
歐拉把它們歸納為:如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是連通的并且奇點(diǎn)的個(gè)數(shù)等于0或2,那么它可以一筆畫(huà)出;否則,它不可以一筆畫(huà)出。
這就是數(shù)學(xué)上著名的歐拉定理,運(yùn)用它就可以很方便地判斷一個(gè)圖形是否可以一筆畫(huà)出。例如,在圖3中,①②③④⑥是連通網(wǎng)絡(luò),②和③沒(méi)有奇點(diǎn),①和⑥只有2個(gè)奇點(diǎn),它們都可以一筆畫(huà)出;④有4個(gè)奇點(diǎn),不能一筆畫(huà)出;⑤是不連通網(wǎng)絡(luò),也不能一筆畫(huà)出(盡管它的奇點(diǎn)個(gè)數(shù)為0)。
由于歐拉研究一筆畫(huà)問(wèn)題的貢獻(xiàn),一筆畫(huà)問(wèn)題又叫歐拉通路問(wèn)題,它的應(yīng)用非常廣泛。例如,郵電通路問(wèn)題就是一個(gè)典型應(yīng)用。歐拉在研究這類問(wèn)題時(shí),認(rèn)為這是一門(mén)新的幾何學(xué)分支,他稱之為“位置幾何學(xué)”。后來(lái),這門(mén)數(shù)學(xué)分支被正式命名為“拓?fù)鋵W(xué)”。歐拉對(duì)七橋問(wèn)題的研究,是拓?fù)鋵W(xué)研究的先聲。到19世紀(jì)的最后幾年里,法國(guó)數(shù)學(xué)家龐加萊開(kāi)始系統(tǒng)地研究拓?fù)鋵W(xué),正式奠定了這門(mén)數(shù)學(xué)分支的基礎(chǔ)。
現(xiàn)在,拓?fù)鋵W(xué)已成為豐富多彩的一門(mén)數(shù)學(xué)分支。
?。ㄘ?zé)編藍(lán)天)