摘要:科學(xué)家歐拉在研究七橋問題,將其轉(zhuǎn)化為一筆畫,能畫出的條件是:1、圖是連通的。2、畫中的頂點為奇點(與頂點相連的線的條數(shù)為奇數(shù))個數(shù)為0到2。經(jīng)本人研究,原來一筆畫需要滿足的2個條件不存在了,建立了理論:無條件原理?!捌邩騿栴}”中的一筆畫,用新理論,能畫出,用歐拉理論也能畫出。
關(guān)鍵詞:歐拉;圖論;一筆畫可畫;無條件原理(剪對論或李忠福原理)
18世紀(jì)著名古典數(shù)學(xué)問題之一(是有關(guān)圖論研究的熱點問題)。18世紀(jì)初普魯士的哥尼斯堡,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(lián)系起來(如上圖上)。有個人提出一個問題:一個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。
1736年,在經(jīng)過一年的研究之后,29歲的歐拉提交了《哥尼斯堡七橋》的論文,開創(chuàng)了數(shù)學(xué)新一分支---圖論。 在論文中,歐拉將七橋問題抽象出來,把每一塊陸地考慮成一個點,連接兩塊陸地的橋以線表示。并由此得到了如圖一樣的幾何圖形。 若我們分別用A、B、C、D四個點表示為哥尼斯堡的四個區(qū)域。這樣著名的“七橋問題”便轉(zhuǎn)化為是否能夠用一筆不重復(fù)的畫出過此七條線的問題了(如上圖下)。若可以畫出來,則圖形中必有終點和起點,并且起點和終點應(yīng)該是同一點,由于對稱性可知由A或C為起點得到的效果是一樣的,若假設(shè)以A為起點和終點,則必有一離開線和對應(yīng)的進入線,若我們定義進入A的線的條數(shù)為入度,離開線的條數(shù)為出度,與A有關(guān)的線的條數(shù)為A的度,則A的出度和入度是相等的,即A的度應(yīng)該為偶數(shù)。即要使得從A出發(fā)有解則A的度數(shù)應(yīng)該為偶數(shù),而實際上A的度數(shù)是3為奇數(shù),于是可知從A出發(fā)是無解的。同時若從B或D出發(fā),由于B、D的度數(shù)分別是5、3,都是奇數(shù),即以之為起點都是無解的。 歐拉由此得到一筆畫的規(guī)律: 由此可知要使得一個圖形可以一筆畫,必須滿足如下兩個條件: 1. 圖形必須是連通的。 2. 圖中的“奇點”個數(shù)是0到2。 后來人們就依此來檢驗圖形是不是可一筆畫出?;仡^也可以由此來判斷由“七橋問題”轉(zhuǎn)化同的圖,4個點全是奇點,可知不能“一筆畫出”。
這圖三中第⑥筆終點是C,第⑦筆的起點是B,從C點跳到B點,這是斷筆,不連續(xù)了,符合一筆畫要求嗎?看下面的畫法。
在一個圓絕筒上,B、C合為一點,按畫一到圖三筆順畫。從一側(cè)看為圖四,從另一側(cè)看為圖五。過B、C點將圓筒剪開,則“七橋問題”中的一筆畫就出現(xiàn)在你眼前了。
圖中A、B、C、D四個奇點,B、C和為一點,奇點只有A、D兩點,用歐拉理論就能畫了。
三、一筆畫的新畫法————無條件原理(折對論或李忠福原理)
將紙折疊,使C在外凸線上,與B對接(靠在一起),筆就由C點來到B點,可完成圖七中⑤、⑥、⑦筆順,之后再將折對部分展開,這樣就一筆畫完七橋中一筆畫。其中筆順⑥和⑦可倒,②和⑤可倒,且可有其它筆順的畫法,讀者可探究之。
歐拉理論中有3種畫不能一筆畫出:1、連通圖奇點數(shù)大于2;2、不連通的圖;3奇點數(shù)大于2又不連通的圖。多奇點的連通在上面的例子中已畫出,不連通圖,如圖八、圖九。
圖八畫法:先畫出外大三角形,折疊使筆停止點在外凸線上,用這點與內(nèi)小三角形上任一點對接,這樣就能從外大三角形畫到內(nèi)三角形了,圖八就可畫成了。畫圖九時,先畫外圓,以筆終點折疊,讓該點在折疊的外凸線上,用該點與內(nèi)小圓對接,可畫次內(nèi)圓了,同上,逐次向內(nèi)折對,每個圓都畫出了。
用折疊、對接,畫后再展開的方法,不存在筆不連通(斷筆)問題,想往哪畫就能畫到哪里,只要用一只筆畫的畫,都可一筆畫成,多奇點又不連通的圖,同樣方法都能畫成。
欲畫的圖稱為原圖,原圖可象圖八、圖九這樣,在紙上有圖,也可在心中有圖,紙上無圖,原圖上無論有多少個偶點,都不妨礙一筆畫出。原圖上有N(N大于2)個奇點,原來認(rèn)為不可一筆畫出。N為2k或2k+1,K為大于1的自然數(shù),這樣的圖,我們將兩折對(奇點變?yōu)榕键c),余下奇點數(shù)小于2,按歐拉理論是可一筆畫出的。不連通的圖,將不連通處折對,不連通的圖也可一筆畫出。
由此可見,原來歐拉理論認(rèn)為能一筆畫出的圖,仍可一筆畫出,歐拉認(rèn)為一筆畫不出的圖,也都能一筆畫出了,一筆畫不出的圖沒了。一筆畫原來的條件不存在了。
在原圖上將奇點和不連通處折對,使筆連續(xù)畫,從圖中某一點可畫到圖上任意需要再畫的地方(空間),畫完后再將折對部分展開。象這種折疊、對接、展開的畫法,在圖論中可稱為:無條件原理(折對論或李忠福原理)。
無條件原理中主要是對接,對接使間斷變?yōu)檫B接,解決了關(guān)鍵問題,折疊是為對接提供條件,展開是恢復(fù)畫面平整。
原來畫不出的一筆畫,是因為把紙看成是不動(靜止)的,不變(折)的。事物是運動的,任何事物之間都是有聯(lián)系的。
一筆畫可畫,七橋有辦法走,在下文‘走七橋之法發(fā)表之前,讀者可自行探之。