七橋問題和一筆畫

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中數(shù)學(xué) 來源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)

  18世紀(jì)時,歐洲有一個風(fēng)景秀麗的小城哥尼斯堡,那里有七座橋。如圖1所示:河中的小島A與河的左岸B、右岸C各有兩座橋相連結(jié),河中兩支流間的陸地D與A、B、C各有一座橋相連結(jié)。當(dāng)時哥尼斯堡的居民中流傳著一道難題:一個人怎樣才能一次走遍七座橋,每座橋只走過一次,最后回到出發(fā)點?大家都試圖找出問題的答案,但是誰也解決不了這個問題。

圖 1                         圖 2

    
  七橋問題引起了著名數(shù)學(xué)家歐拉(1707—1783)的關(guān)注。他把具體七橋布局化歸為圖2所示的簡單圖形,于是,七橋問題就變成一個一筆畫問題:怎樣才能從A、B、C、D中的某一點出發(fā),一筆畫出這個簡單圖形(即筆不離開紙,而且a、b、c、d、e、f、g各條線只畫一次不準(zhǔn)重復(fù)),并且最后返回起點?歐拉經(jīng)過研究得出的結(jié)論是:圖2是不能一筆畫出的圖形。這就是說,七橋問題是無解的。這個結(jié)論是如何產(chǎn)生呢?請看下面的分析。

  如果我們從某點出發(fā),一筆畫出了某個圖形,到某一點終止,那么除起點和終點外,畫筆每經(jīng)過一個點一次,總有畫進該點的一條線和畫出該點的一條線,因此就有兩條線與該點相連結(jié)。如果畫筆經(jīng)過一個n次,那么就有2n條線與該點相連結(jié)。因此,這個圖形中除起點與終點外的各點,都與偶數(shù)條線相連。如果起點和終點重合,那么這個點也與偶數(shù)條線相連;如果起點和終點是不同的兩個點,那么這兩個點部是與奇數(shù)條線相連的點。綜上所述,一筆畫出的圖形中的各點或者都是與偶數(shù)條線相連的點,或者其中只有兩個點與奇數(shù)條線相連。

  圖2中的A點與5條線相連結(jié),B、C、D各點各與3條線相連結(jié),圖中有4個與奇數(shù)條線相連的點,所以不論是否要求起點與終點重合,都不能一筆畫出這個圖形。

  1736年,歐拉在圣彼得堡科學(xué)院作了一次學(xué)術(shù)報告。在報告中,他證明了上述結(jié)論。后來他又給出了鑒別任一圖形能否一筆畫出的準(zhǔn)則,即歐拉定理。為了介紹這個定理,我們先來看下面的預(yù)備知識:

  由有限條線組成的圖形叫做網(wǎng)絡(luò),其中每條線都要求有兩個不同的端點。這些線叫做網(wǎng)絡(luò)的弧,弧的端點叫做網(wǎng)絡(luò)的頂點。例如,圖2是一個網(wǎng)絡(luò),a、b、c、d、e、f、g是它的7條弧,A、B、C、D是它的四個頂點。

  網(wǎng)絡(luò)中互相銜結(jié)的一串弧叫做一條路。如果網(wǎng)絡(luò)中任意兩個頂點都可以用一條路連結(jié)起來,那么就稱這個網(wǎng)絡(luò)為連通的;否則稱為不連通的。例如,圖2是連通的網(wǎng)絡(luò);圖3是不連通的網(wǎng)絡(luò),其中有的頂點(例如A與D)之間沒有路線連結(jié)。


 
圖 3                                      圖 4
 


  網(wǎng)絡(luò)中以某頂點為端點的弧的條數(shù),叫做該頂點的叉數(shù)。叉數(shù)是奇數(shù)的頂點叫做奇頂點,叉數(shù)是偶數(shù)的頂點叫做偶頂點。

  下面介紹歐拉定理。

  歐拉定理   如果一個網(wǎng)絡(luò)是連通的并且奇頂點的個數(shù)等于0或2,那么它可以一筆畫出;否則它不可以一筆畫出。

  用歐拉定理可以很方便地判斷一個簡單圖形是否可以一筆畫出。例如,圖3是不連通網(wǎng)絡(luò),它不能一筆畫出(盡管它的奇頂點個數(shù)為0);圖4中實線所示圖形有8個奇頂點.它不能一筆畫出,如果將圖中虛線補為實線,那么奇頂點只有F和G兩個,所得圖形就能一筆畫出了(以F為起點,G為終點;或G為起點,F(xiàn)為終點)。


  試問下列圖形能否一筆畫出?如能畫出應(yīng)怎樣畫?如不能畫出理由是什么?


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