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      六年數(shù)學(xué)“七橋問題”中一筆畫能畫

      2013-04-29 00:08:15李忠福
      中華少年·研究青少年教育 2013年6期
      關(guān)鍵詞:圖論歐拉

      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(diǎn)為奇點(diǎn)(與頂點(diǎn)相連的線的條數(shù)為奇數(shù))個(gè)數(shù)為0到2。經(jīng)本人研究,原來一筆畫需要滿足的2個(gè)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(diǎn)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(gè)小島,有七座橋把兩個(gè)島與河岸聯(lián)系起來(如上圖上)。有個(gè)人提出一個(gè)問題:一個(gè)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(diǎn)。

      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(gè)點(diǎn),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(gè)點(diǎn)表示為哥尼斯堡的四個(gè)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(diǎn)和起點(diǎn),并且起點(diǎn)和終點(diǎn)應(yīng)該是同一點(diǎn),由于對稱性可知由A或C為起點(diǎn)得到的效果是一樣的,若假設(shè)以A為起點(diǎn)和終點(diǎn),則必有一離開線和對應(yīng)的進(jìn)入線,若我們定義進(jìn)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(gè)圖形可以一筆畫,必須滿足如下兩個(gè)條件: 1. 圖形必須是連通的。 2. 圖中的“奇點(diǎn)”個(gè)數(shù)是0到2。 后來人們就依此來檢驗(yàn)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(gè)點(diǎn)全是奇點(diǎn),可知不能“一筆畫出”。

      這圖三中第⑥筆終點(diǎn)是C,第⑦筆的起點(diǎn)是B,從C點(diǎn)跳到B點(diǎn),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(gè)圓絕筒上,B、C合為一點(diǎn),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(diǎn)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(gè)奇點(diǎn),B、C和為一點(diǎn),奇點(diǎn)只有A、D兩點(diǎn),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(diǎn)來到B點(diǎn),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(diǎn)數(shù)大于2;2、不連通的圖;3奇點(diǎn)數(shù)大于2又不連通的圖。多奇點(diǎn)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(diǎn)在外凸線上,用這點(diǎn)與內(nèi)小三角形上任一點(diǎn)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(shí),先畫外圓,以筆終點(diǎn)折疊,讓該點(diǎn)在折疊的外凸線上,用該點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(gè)偶點(diǎn),都不妨礙一筆畫出。原圖上有N(N大于2)個(gè)奇點(diǎn),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(diǎn)變?yōu)榕键c(diǎn)),余下奇點(diǎn)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(diǎn)和不連通處折對,使筆連續(xù)畫,從圖中某一點(diǎn)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?yàn)榘鸭埧闯墒遣粍樱o止)的,不變(折)的。事物是運(yùn)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。

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