七桥问题与一笔画的通解
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一笔画哥尼斯堡七桥问题1736年29岁的欧拉向圣彼得堡科学院递交了《哥尼斯堡的七座桥》的论文,在解答问题的同时,开创了数学的一个新的分支——图论与几何拓扑。
也由此展开了数学史上的新进程。
问题提出后,很多人对此很感兴趣,纷纷进行试验,但在相当长的时间里,始终未能解决。
七桥问题和欧拉定理。
欧拉通过对七桥问题的研究,不仅圆满地回答了哥尼斯堡居民提出的问题,而且得到并证明了更为广泛的有关一笔画的三条结论,人们通常称之为“欧拉定理”。
故事背景七桥问题18世纪著名古典数学问题之一。
在哥尼斯堡的一个公园里,有七座桥将普雷格尔河中两个岛及岛与河岸连接起来(如图)。
问是否可能从这四块陆地中任一块出发,恰好通过每座桥一次,再回到起点?欧拉于1736年研究并解决了此问题,他把问题归结为如下右图的“一笔画”问题,证明上述走法是不可能的。
有关图论研究的热点问题。
18世纪初普鲁士的柯尼斯堡,普雷格尔河流经此镇,奈发夫岛位于河中,共有7座桥横跨河上,把全镇连接起来。
当地居民热衷于一个难题:是否存在一条路线,可不重复地走遍七座桥。
这就是柯尼斯堡七桥问题。
欧拉用点表示岛和陆地,两点之间的连线表示连接它们的桥,将河流、小岛和桥简化为一个网络,把七桥问题化成判断连通网络能否一笔画的问题。
他不仅解决了此问题,且给出了连通网络可一笔画的充要条件是它们是连通的,且奇顶点(通过此点弧的条数是奇数)的个数为0或2.当Euler在1736年访问Konigsberg, Prussia(now Kaliningrad Russia)时,他发现当地的市民正从事一项非常有趣的消遣活动。
Konigsberg城中有一条名叫Pregel的河流横经其中,这项有趣的消遣活动是在星期六作一次走过所有七座桥的散步,每座桥只能经过一次而且起点与终点必须是同一地点。
Euler把每一块陆地考虑成一个点,连接两块陆地的桥以线表示。
著名数学家欧拉后来推论出此种走法是不可能的。
从哥尼斯堡七桥问题谈起Ⅰ(一笔画问题)故事发生在18世纪的哥尼斯堡城.流经那里的一条河中有两个小岛,还有七座桥把这两个小岛与河岸联系起来,那里风景优美,游人众多.在这美丽的地方,人们议论着一个有趣的问题:一个游人怎样才能不重复地一次走遍七座桥,最后又回到出发点呢?/对于这个貌似简单的问题,许多人跃跃欲试,但都没有获得成功.直到1836年,瑞士著名的数学家欧拉才证明了这个问题的不可能性。
欧拉解决这个问题的方法非常巧妙.他认为:人们关心的只是一次不重复地走遍这七座桥,而并不关心桥的长短和岛的大小,因此,岛和岸都可以看作一个点,而桥则可以看成是连接这些点的一条线.这样,一个实际问题就转化为一个几何图形(如下图)能否一笔画出的问题了.那么,什么叫一笔画?什么样的图可以一笔画出?欧拉又是如何彻底证明七桥问题的不可能性呢?①凡是由偶点组成的连通图,一定可以一笔画成;画时可以任一偶点为起点,最后一定能以这个点为终点画完此图。
②凡是只有两个奇点(其余均为偶点)的连通图,一定可以一笔画完;画时必须以一个奇点为起点,另一个奇点为终点。
③其他情况的图,都不能一笔画出。
下面我们就来研究一笔画问题的具体应用:例1观察下面的图形,说明哪些图可以一笔画完,哪些不能,为什么?对于可以一笔画的图形,指明画法.分析与解答例2下图是国际奥委会的会标,你能一笔把它画出来吗?分析与解答例3下图是某地区所有街道的平面图.甲、乙二人同时分别从A、B出发,以相同的速度走遍所有的街道,最后到达C.如果允许两人在遵守规则的条件下可以选择最短路径的话,问两人谁能最先到达C?分析与解答例4 下图是某展览厅的平面图,它由五个展室组成,任两展室之间都有门相通,整个展览厅还有一个进口和一个出口,问游人能否一次不重复地穿过所有的门,并且从入口进,从出口出?分析与解答例5一张纸上画有如下图所示的图,你能否用剪刀一次连续剪下图中的三个正方形和两个三角形?分析与解答例6下图是一个公园的平面图.要使游客走遍每条路而不重复,问出入口应设在哪里?分析与解答练习题1.请一笔画出下列各图2.判断下列各图能否一笔画出,并说明理由.3.下图是一公园的平面图,要使游客走遍每一条路且不重复,问出入口应设在哪里?4.下图是一个商场的平面图,顾客可以从六个门进出商场(阴影部分为各商品部,空白处为通道),请你设计一种能够一次走遍各通道而又不必走重复路线的进出方法.。
Konigsberg 七橋問題(一筆畫問題)當Euler在1736年訪問Konigsberg,Prussia(now Kaliningrad Russia)時,他發現當地的市民正從事一項非常有趣的消遣活動。
Konigsberg城中有一條名叫Pregel這項有趣的消遣活動是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。
Euler把每一塊陸地考慮成一個點,連接兩塊陸地的橋以線表示,便得如下的圖形Euler後來推論出此種走法是不可能的。
他的論點是這樣的,除了起點以外,每一次當一個人由一座橋進入一塊陸地(或點)時,他(或她)同時也由另一座橋離開此點。
所以每行經一點時,計算兩座橋(或線),從起點離開的線與最後回到始點的線亦計算兩座橋,因此每一個陸地與其他陸地連接的橋數必為偶數。
我們從Konigsberg七橋所成之圖形中,沒有一點含有偶數條數,因此上述的任務是不可能實現的。
Eulerian graphs 歐拉圖形一條途徑v0e1e2v2………..e k v k稱為Euler walk(歐拉走路)如果沒有邊(edge)是重複的,此處v i表頂點,e i表邊。
若一個圖形G中,v0e1v1e2v2……………e k v k行經每一邊恰好一次,且v0=v k(起點=終點),則稱此途徑為Euler tour(歐拉路徑)。
例:從下右圖中找出一歐拉路徑一.筆劃問題問題:有一商人欲推銷某一商品,該商人在下圖中每一地點,A,B,...,J都希望去推銷該商品,但為了達到最低成本故希望不要重複行走已走過的路徑以減低車費成本,問該商人應如何行走?Eulerian graphs 歐拉圖形一條路徑V0e1V1e2V2…..e k V k稱為Euler walk (歐拉走路)如果沒有邊(edge)是重複的,此處V1表頂點,e1表邊。
若一個圖形G中,V0e1V1e2V2…..e k V k行徑每一邊恰好一次且( 起點=終點),則稱此途徑為Euler tour (歐拉路徑)。
七桥问题与一笔画的通解
(论文拟稿)
在柯尼斯堡的一个公园里,有七座桥将一条河上的两座岛和两岸相连接。
当时有人提出了这么一个问题:如何一次性不重复不遗漏走完七座桥。
后来,数学家欧拉将它变成了一个一笔画问题(如图)。
从欧拉的简化图来看,似乎我们无论如何,也不能一笔画完图形。
但是,这是为什么呢?
在这个图中,有ABCD 4个点,有五条线汇聚到A点,三条线汇聚到B,C,D 点,我们可以把这种有奇数条线(3条及以上)汇聚的点称为奇点,作为对应,把有偶数条线(4条及以上)汇聚的点称为偶点。
那么,我们不难发现,在任意封闭图形中,奇点的个数一定是偶数。
因为一条线定连接两个点(或重合),若存在奇数个奇点,则此图形定不符合封闭图形定义。
从一个奇点来看,若要一笔画成,则此奇点定是起笔点或停笔点。
起笔点,停笔点只有两个,所以说,奇点为两个或没有奇点的封闭图形可以一笔画。
回来看七桥问题,图中有四个奇点,以任意两个作为起笔点和落笔点,则还有两个奇点无法连接。
故七桥问题无解。
从上面总结出以下结论:
■⒈凡是由偶点组成的连通图,一定可以一笔画成。
画时可以把任一偶点为起点,最后一定能以这个点为终点画完此图。
■⒉凡是只有两个奇点的连通图(其余都为偶点),一定可以一笔画成。
画时必须把一个奇点为起点,另一个奇点为终点。
■⒊其他情况的图都不能一笔画出。
(奇点数除以二便可算出此图需几笔画成。
)
我们可以把得到的结论推广到所有一笔画解法存在问题,如汉字“田”,我们观察到,它有四个奇点,故不可以一笔画。
而汉字“日”,只有两个奇点,则可以一笔画。
早在1736年,欧拉在交给彼得堡科学院的《哥尼斯堡7座桥》的论文报告中,就阐述了这种方法,也为后来的数学新分支--拓扑学的建立奠定了基础。
从这里我们可以看出,伟大的创造一开始可能并不像我们想象的那么高深莫测,仔细观察生活,我们也会有了不起的发现。