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英才学习-阿江1年前 (2023-09-30)数学474

哥尼斯堡七桥(一笔画)问题

一、定义

18世纪初普鲁士的哥尼斯堡,有一条河穿过,河上有两个小岛,有七座桥把两个岛与河岸联系起来(如下图)。有个人提出一个问题:一个步行者怎样才能不重复、不遗漏地一次走完七座桥,最后回到出发点。这个问题就是“哥尼斯堡七桥问题"。


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二、解决思路

针对“哥尼斯堡七桥问题",大数学家欧拉把它转化成一个几何问题——一笔画问题。他不仅解决了此问题,且给出了连通图可以一笔画的充要条件是:奇点的数目不是0个就是2个(连到一点的数目如果是奇数条,就称为奇点;如果是偶数条,就称为偶点。要想一笔画成,必须中间点均是偶点,也就是有来路必有另一条去路,奇点只可能在两端。因此任何图能一笔画成,奇点要么没有,要么在两端)

也就是要使得一个图形可以一笔画,必须满足如下两个条件:

1. 图形必须是连通的。

2. 图中的“奇点”个数是0或2。

这也就是欧拉回路关系


数学模型

为了更好地理解哥尼斯堡七桥问题,我们需要使用图论的基本概念来建立数学模型。在图论中,我们使用节点和边来表示问题中的连接关系。对于哥尼斯堡城市,我们可以将岛屿和岸边抽象为图中的节点,将桥梁抽象为边。通过这种方式,我们可以将问题转化为在图中找到一条路径,使得每个节点都恰好经过一次。每个节点用字母表示,每条边用灰色线段表示。图形显示了问题中的连接关系,帮助读者更好地理解问题。


哥尼斯堡七桥问题的解

通过观察哥尼斯堡的地理情况,哥尼斯堡七桥问题是无解的。


七桥问题和欧拉定理

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。对于一个连通图,通常把从某结点出发一笔画成所经过的路线叫做欧拉路。人们又通常把一笔画成回到出发点的欧拉路叫做欧拉回路。具有欧拉回路的图叫做欧拉图。


三、一笔画问题

一笔画

⒈ 凡是由偶点组成的连通图,一定可以一笔画成。画时可以把任一偶点为起点,最后一定能以这个点为终点画完此图。

⒉ 凡是只有两个奇点的连通图(其余都为偶点),一定可以一笔画成。画时必须把一个奇点为起点,另一个奇点为终点。

⒊ 其他情况的图都不能一笔画出。(奇点数除以2便可算出此图需几笔画成。)




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