人教版教材《數學》六年級下冊第95頁介紹了古典數學名題《七橋問題》:
18世紀東普魯士的哥尼斯堡城,有一條河穿過,河上有兩個小島,有七座橋把兩個島與河岸聯系起來(如圖1)。有人提出一個問題:一個步行者怎樣才能不重復、不遺漏地一次走完七座橋,最后回到出發(fā)點?
這個問題似乎不難,誰都樂意用它來測試一下自己的智力??墒牵l也沒有想到,這是一個不可能問題。因為在當時,誰也沒有找到一條這樣的路線,連以博學著稱的大學教授們,也感到一籌莫展。“七橋問題”難住了哥尼斯堡的所有居民,哥尼斯堡城也因“七橋問題”而出了名。
哥尼斯堡七橋問題傳開了。1735年,瑞士的大數學家歐拉在俄國彼得堡聽到了這個問題,并引起極大的興趣。歐拉沒有去過哥尼斯堡,他也沒有去親自測試可能的路線。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年多的時間。實際上,歐拉只用了半天時間就解決了七橋問題。
剖析一下歐拉的解法是饒有趣味的。
首先,歐拉把七橋問題抽象成一個合適的“數學模型”。他想:兩岸的陸地與河中的小島,都是橋梁的連接點,它們的大小、形狀均與問題本身無關。因此,不妨把它們看做是4個點。7座橋是7條必須經過的路線,它們的長短、曲直,也與問題本身無關。因此,不妨任意畫7條線來表示它們(如圖2)。
就這樣,歐拉將七橋問題抽象成了一個“一筆畫”問題。怎樣不重復地通過7座橋,變成了怎樣不重復地畫出一個幾何圖形的問題。
原先,人們是要求找出一條不重復的路線。歐拉想,成千上萬的人都失敗了,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力氣!于是,歐拉接下來著手判斷:這種不重復的路線究竟存在不存在?由于這么改變了一下提問的角度,歐拉抓住了問題的實質。
最后,歐拉認真考察了一筆畫圖形的結構特征。
歐拉發(fā)現,凡是能用一筆畫成的圖形,都有這樣一個特點:每當你用筆畫一條線進入中間的一個點時,你還必須畫一條線離開這個點。否則,整個圖形就不可能用一筆畫出。也就是說,單獨考察圖中的任何一個點(除起點和終點外),它都應該與偶數條線相連;如果起點與終點重合,那么,連這個點也應該與偶數條線相連。
在七橋問題的幾何圖中,B、C、D三點分別與3條線相連,A點與5條線相連。連線都是奇數條。因此,歐拉斷定:一筆畫出這個圖形是不可能的。也就是說,不重復地通過7座橋的路線是根本不存在的!
歐拉通過對七橋問題的研究,不僅圓滿地回答了哥尼斯堡居民提出的問題,而且得到并證明了如下有關一筆畫的三條結論:
?。?)凡是由偶點組成的連通圖,一定可以一筆畫成。畫時可以把任一偶點為起點,最后一定能以這個點為終點畫完此圖。
?。?)凡是只有兩個奇點的連通圖(其余都為偶點),一定可以一筆畫成。畫時必須把一個奇點為起點,另一個奇點終點
?。?)其他情況的圖都不能一筆畫出。
歐拉把它們歸納為:如果一個網絡是連通的并且奇點的個數等于0或2,那么它可以一筆畫出;否則,它不可以一筆畫出。
這就是數學上著名的歐拉定理,運用它就可以很方便地判斷一個圖形是否可以一筆畫出。例如,在圖3中,①②③④⑥是連通網絡,②和③沒有奇點,①和⑥只有2個奇點,它們都可以一筆畫出;④有4個奇點,不能一筆畫出;⑤是不連通網絡,也不能一筆畫出(盡管它的奇點個數為0)。
由于歐拉研究一筆畫問題的貢獻,一筆畫問題又叫歐拉通路問題,它的應用非常廣泛。例如,郵電通路問題就是一個典型應用。歐拉在研究這類問題時,認為這是一門新的幾何學分支,他稱之為“位置幾何學”。后來,這門數學分支被正式命名為“拓撲學”。歐拉對七橋問題的研究,是拓撲學研究的先聲。到19世紀的最后幾年里,法國數學家龐加萊開始系統(tǒng)地研究拓撲學,正式奠定了這門數學分支的基礎。
現在,拓撲學已成為豐富多彩的一門數學分支。
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