确定无解?为什么我不能一次走遍哥尼斯堡的7座桥
超级数学建模(ID:supermodeling)
今天,8岁表妹问了一个问题:
看到这种类似1+1=?的问题,超模君几乎不用思考就已经知道答案。
但为了体现让表妹系统的理解知识,所以我决定......
发生在哥尼斯堡的故事
18世纪的哥尼斯堡(如今是俄罗斯的加里宁格勒),是一座位于普累格河上的城市,河上有两个小岛,有七座桥把河中两个岛及岛与河岸连接起来。
(超模君随意临摹的作品)
还有其他灵魂画手的杰作:
由于当地的生活节奏慢,人们总是有很多时间来到桥上一边散步,一边讨论某些很学术的问题,比如说:
还有:
而最最最让他们苦恼的问题是:怎么样才可以一次走过七座桥,且每座桥只能经过一次而且起点与终点必须是同一地点。
当时,数学帝欧拉正在哥尼斯堡内担任教授。有几个大学生得知这个消息后,便连忙向他请教这个问题。
和大多数普通人的做法一样,欧拉一开始也只是在暴力求解。
试过这样的:
(暴力求解1)
也试过这样的:
(暴力求解2)
为了能破解走法,甚至还想请市长弄多一座桥:
(暴力求解3)
但尝试了无数次走法之后,他惊呆了:做不出来!
在接下来很长的一段时间里,包括欧拉在内的众多数学狂热者都对这个七桥问题束手无策。
对不起,此题无解
俗话说:男人三十是一道分水岭。而欧拉紧紧地把握住机会,提前一年就跳了过去。
1736年,29岁的欧拉便向圣彼得堡科学院递交了《哥尼斯堡的七座桥》的论文,里面的开头写道:小老弟们,一次走遍哥尼斯堡的7座桥的走法是不存在的。
随后,欧拉又补充道:“七桥问题其本质就是一个一笔画问题。”
一笔画问题?怎么理解呢?
首先我们对于实际问题进行一个转化:把两座岛和河两岸抽象成顶点,每一座桥抽象城连接顶点的一条边。
当我们在找能一次走遍7座桥的走法时,实际上是在问这个转化出来图形是否为一笔画?
那该如何判断图形是否为一笔画图形?
为此,欧拉抛出了两个新的名词:奇顶点、偶顶点。
奇顶点:如果一个顶点连接的边数是奇数,那么这样的顶点叫奇顶点。
偶顶点:如果一个顶点连接的边数是偶数,那么这样的顶点叫偶顶点。
他表示任何可一笔画成的图只能有两种情况:
1、要么全部顶点都是偶顶点,那么起点和终点都是同一个点;
2、要么顶点里只有2个奇顶点,一个是起点,另一个是终点。
我们会发现,在上图里的A、B、C、D四个点都是奇顶点。所以欧拉给出答案:此题无解,无法一次走完七座桥。
花里胡哨的一笔画
七桥问题解决了,接下来让我们回顾到表妹那道问题......
我们都知道一个一笔画图形,要么是0个奇顶点;要么就是2个奇顶点,就像这道题一样。
对于0个奇顶点的情况,其实我们的起点在哪里都是可以的,从哪里开始,就从哪里结束。
而对于有2个奇顶点的情况,我们就需要确定起点和终点,也就是要找出2个奇顶点。
(红色为奇顶点)
所以正确的解法是:
是不是突然觉得很简单?
事实上,一笔画在我们生活当中也是很常见。
什么?你不信,那超模君先给你来一个耳熟能详的图形:
(中国结)
虽然交叉点很多,但它实际上是一笔画图形。
甚至还有打破二维世界的一笔画,在综艺《最强大脑》里面就曾出现了相关的考题:立体一笔画。
需要选手快速找出全场150个不规则立体图形中能从任意点一笔画成的图形,且不能和场上已有答案重复。
(最强大脑之立体一笔画)
这不仅仅要懂欧拉定理,连个人的观察力、空间力、计算粒、推理力、记忆力、创造力都有着很高的要求。
看完这些一笔画,超模君已经身心疲惫,不得不扶墙了。
什么,你还不服,那请你3秒内解决下面这道国考题吧~