一笔画与科尼斯堡问题
何谓「一笔画」
所谓「一笔画」是指笔一旦碰了纸即不能离开纸,一直到画完才能离开,且同一个地方不能重复经过的画法,首先我们分析能用一笔画完成图形的特征,如下:
一、奇点:
在一笔画中,作为始点或终点的如图(1)之P点及Q点,它可产 生奇数的条线
1. 起始点:
一笔画中的开始点,如p点〈图1〉。
在开始昼时,从此P点出发,只会出现1条线。而在一笔画的途中每 当通过此点时,以此点来看,每通过一次增加2条线。由于此点不是终点,故在点P会出现奇数条线〈图2、3〉。此种点叫做「奇点」。
图2:单线与三线
图3:五线
2.终点:
在一笔画的结束点如Q点〈图1〉。
在一笔画的途中每当通过此点时,以此点来看,每通过一次增加2条线。当此点作为结束的终点时,最后只有进入一条线。因此,从此点出来的 线有奇数点〈图2、3〉。即是此种点为奇点。
二、偶点:
在一笔画中,同时为起点及终点的点或中途的点,它可产生偶数条线(图4)。
1.在一笔画中可作为起点而同时为终点的点如R。
在开始时,从此种点会出来1条线。莓当通过此点时,从此点出来的线 每次增加2条。而最后到此点结束时,从此点出来的线增加1条。因此,从此种点出来的线有偶数条。此种点叫做「偶点」。
图4:R及S点皆为偶点
2.在一笔画中可作为中途的点S。
每当通过此种点时,从此点出来的线逐次增加2条。因此,从此种点出来的线有偶数条。即是,此种点为偶数。
三、一笔画的判断原则
根据以上所述,即得下列结论:
1. 若在一笔画的图案有二点奇点存在,则它是一个当起始点,一个当终点。
2. 没有奇点,也可画成一笔画,而且随便什么地方开始都行。
3. 若在一笔画的图案超过2个奇点,则无法一笔画成。
例1,在把如下面的图5用一笔画出来的问题,C及D为奇点,而
A,B,E,F都是偶点。
因此,此图必须设法使从C开始昼而在D结束,或从D开始画而
在C结束,否则不能一笔画。
图5:能否一笔画?
例2:若在一笔画的图案有3个奇点以上时,则无法把此问题一笔画出
来。
例如在如下面的图6,A,B,C,D都是奇点,只有E是偶点。因
此,此图含有4个奇点,因此是无法一笔画的图。
图6:不可能一笔画。
四、科尼斯堡问题
十八世纪初在普鲁士科尼斯堡镇(如图7)流传一个问题。这问题是城内一条叫布瑞格河的两支流绕过一个岛,有七座桥横跨这两支流。问一个散步者能否走过每一座桥,而每座桥却只走过一次。
图7: 科尼斯堡地形图
欧拉在1736年圆满地解决了这一问题。他把实际的抽象问题简化为平面上的点与线组合,每一座桥视为一条线,桥所连接的地区视为点,把问题解决了。
五、科尼斯堡问题的解决
对于瑞士数学家欧拉所发现的科尼斯堡问题的解决方案,可用上述一笔画的原则解决,方法如下。
1. 将图7布瑞格河通过科市如抽象化,绘图如图8所示。
图8: 简化的科市图
因此只要证明题目所画图形是一笔画图形或不是一笔画图形,散步者能否走过每一座桥,而每座桥却只走过一次,就可迎刃而解。
结论
从图8中,我们算出A、B、C、D四点皆是奇点,根據超过二奇点無法作成一笔画的原则,因此图10不是一笔画,也就是说散步者无法走过每一座桥,而每座桥只走过一次。
五、其它一笔画的例子
请回答下列图形,何者是一笔画图形,何者不是?
解答:1、4、6、8、9、10没有奇点,可画成一笔画,而且随便什么地方开始都行。2、3、5有二点奇点存在,一个当起始点,一个当终点。7有超过2个奇点,故无法一笔画成。