七桥问题
在离普莱格尔河流入波罗的海海口不远的地方,有一座古老的城市——哥尼斯堡。哥尼斯堡是条顿骑士团在1308年建立的,四百年中为日耳曼势力最前端的哨所,曾为东普鲁士的首府。二战后更名为加里宁格勒,成为前苏联的海军基地,现位于立陶宛与波兰之间,属俄罗斯。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历程。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。
在哥尼斯堡城中,普莱格尔河横贯城中,有两个支流,一条称新河,一条叫旧河,在城市中心汇成大河,中间是岛区,一座叫内福夫岛,是城中最繁华的商业中心,由于普莱格尔河拔全城分为四个地区:岛区、北区、东区和南区,河上有7座桥,将河中的两个岛和河岸连结。
由于岛上有古老的哥尼斯堡大学,有教堂,还有康德的墓地和塑像,因此城中的居民,尤其是大学生们经常沿河过桥散步。渐渐地,爱动脑筋的人们提出了一个问题:一个散步者能否一次走遍7座桥,而且每座桥只许通过一次,最后仍回到起始地点。这就是有名的七桥问题。
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F”。
这个问题看起来似乎很简单,然而许多人作过尝试始终没有能找到答案。因此,在1735年,一群大学生就写信给当时年仅20岁的大数学家欧拉。欧拉正在俄国彼得堡科学院任职,他通过一年的研究,于1736年向彼得堡科学院地交了一篇题为《哥尼斯堡七座桥》的论文,圆满地解决了这一问题。他提出的思想导致了一门的新的数学分支——图论的诞生。
欧拉是这样解决问题的:既然陆地是桥梁的连接地点,不妨把图中被河隔开的陆地看成4个点,7座桥表示成7条连接这4个点的线,如图所示。于是“七桥问题”就等价于下图中所画图形的一笔画问题了。
欧拉注意到,如果一个图能一笔画成,首先,它必须是连在一起的,也就是说,图中的任何两个点都由图中的线连接,我们称之为连通的。
其次,如果一个图能一笔画成,那么一定有一个起点开始画,也有一个终点。图上其它的点是“过路点”——画的时候要经过它。
现在看“过路点”具有什么性质。它应该是“有进有出”的点,有一条边进这点,那么就要有一条边出这点,不可能是有进无出,如果有进无出,它就是终点,也不可能有出无进,如果有出无进,它就是起点。因此,在“过路点”进出的边总数应该是偶数。
因此一笔画问题与经过点的线的条数有关系,为方便起见,若与一点相连的线的条数为偶数,则称此点为偶点。
由上可知,“过路点”是偶点。同理,如果起点和终点是同一点,那么它也是属于“有进有出”的点,因此必须是偶点,这样图上全体点都是偶点。如果起点和终点不是同一点,那么它们必须是奇点,因此这个图最多只能有二个奇点。
最后我们可以确定,图能一笔画的两个条件:
1、图是连通的,
2、图中的奇点数为0或2。
事实上,中国民间很早就流传着这种一笔画的游戏,从长期实践的经验,人们知道如果图的点全部是偶点,可以任意选择一个点做起点,一笔画成。如果是有二个奇点的图形,那么就选一个奇点做起点以顺利的一笔画完。
现在对照七桥问题的图,所有的顶点都是奇点,共有四个,所以这个图肯定不能一笔画成。导游们仍向游客讲述七桥的故事,甚至有些导游声称问题仍未解决,以留给游客去遐想。
顺便说一句,新乡回龙景区通过几家网站发布了一则消息,题目为“新乡回龙景区新建‘谜桥’,百万奖金等‘破谜’”。意思是说,如果谁可以从其中任何一座桥出发,走遍七座桥且不重复又回到出发点,就有机会获得100万元的现金大奖。很快这条消息成了国内几家网站三新闻。,一位不愿透漏姓名的高中数学老师给记者打了电话,指出:“谜桥问题是著名的数学问题,根本无解,景区用悬赏100万元吸引游客,这是在忽悠人。”