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第10章 七桥问题

小时候读《三国演义》,当读到第41回赵子龙在当阳长坂坡七进七出,冲杀曹营,如入无人之境的那段描写时,心情的那份激动,实在难以形容。对赵子龙的超群武艺和英雄气概,佩服得五体投地。时移世易,今天偶然重翻旧籍,想到科学技术发展到今天,在现代化的战争中,赵子龙这种“匹夫之勇”,大概已没有多大的实际意义了。不过,当年与小伙伴们争论的一个看来有些可笑的问题,却至今记忆犹新:赵子龙从曹营中七进七出,走的是同一条道路呢?还是不同的道路呢?或者有时走的是老路,有时又是杀开一条新路呢?

刘备从荆州一路败退而来,仓皇逃往夏口,一定是一路且战且走。赵子龙从曹军中七进七出,一方面为了赶上不断往前面溃逃的大部队,一方面又要尽量避开随后追杀过来的曹军,大概不可能走重复的路线吧。换句话说,杀进出的路随后即被曹军追兵堵死,必须从曹军疏于防备或来不及组织阻击的另一条路杀出来;下一次又必须从另外一条薄弱的路线杀进去……不妨设想,赵子龙每次杀进杀出,都经过不同的路线,大概不会十分错。如图34所示。

谁都不难理解,如果赵子龙每次进出都不走重复路线,“七进七出”就要走14条不同的路线。如果再来个“八进八出”、“九进九出”,那就要分别走16条或者18条不同的路线。总之,不管几进几出,如果不走相同的路线,那么所走路线条数恰好是进出次数的两倍,总是一个偶数。

虽然这个简单的道理谁都知道,但是谁能设想,它却涉及到数学史上一个著名的数学问题的解决,并导致一个新的数学分支的诞生。这个著名的数学问题就是“七桥问题”。

在18世纪,东普鲁士有一个叫做哥尼斯堡的城市(今属东波罗的海的立陶宛共和国),一条名叫帕瑞格的大河流经这个城市,河中有两个小岛,把全城分割成4块互不相连的陆地。人们在河上架了7座桥把4块陆地像图35所示的那样联系起来。

当时哥尼斯堡的许多市民都热衷于解决如下的一个难题:一个散步者能否从某一块陆地出发,不重复地走过每座桥一次,最后回到原来的出发点。

这就是有名的“哥尼斯堡七桥问题。”

这个问题似乎不难解决,试验起来也比较容易,不论年纪大小,不分文化高低,谁都可以动手试一试。所以吸引了许多人都来试验,但是谁也没有成功。于是有人写信向当时著名的数学家欧拉求教。欧拉毕竟是一位伟大的数学家,他收到求教信以后,并没有去重复人们已经多次失败了的试验,而是产生了一种直觉的猜想:许多人千百次的失败,是否意味着这样的走法根本就不存在呢?于是欧拉把这个问题进行数学抽象,把它转化为图36那样的网络图。他用A、B、C、D4个点表示4块陆地,用两点间的一条联线表示连接这两块陆地之间的一座桥,就得到一个由一些点和点之间的一些联线所组成的图形,这样的图形称为网络图。图36就是表示“七桥问题”的一个网络图。

“七桥问题”能否解决实际上就转化为像图36那样的网络图能否“一笔画”的问题。什么叫“一笔画”呢?就是笔不准离开纸,每条线只许画一次,不重复地画出整个图形。1736年欧拉终于严格证明了像图36那样的网络图是不可能“一笔画”的。从而也就证明了“七桥问题”所要求的那种走法是不存在的。

为什么像图36那样的网络图不能一笔画呢?我们从更广泛的意义上来回答这个问题。

一个网络图如果从它的任何一个顶点出发,沿着网络图的线路可以到达任一个其它顶点,则称这个网络图是连通的,否则称为不连通的。

在图37中,像A、B那样的顶点,它与奇数条相联(A与3条线相联,B与1条线相联),称为奇点;而像C、D那样的顶点,它与偶数条线相联(C点与4条线相联,D点与2条线相联),则称为偶点。

不连通的网络图当然不可能一笔画,对于连通的网络图,网络理论断言:一个连通的网络图如果它的奇点不多于两个才可以一笔画,否则就不可以一笔画(起点与终点不要求一定重合)。

这个结论的证明十分简单:如果一个图形可以一笔画,除了画笔的起点和终点之外,中间经过的任何一个点(例如图37中的G点),当画笔沿某条路线到达这点之后,由于它不是终点,必定还要沿另一条新的路线离去,一进一出,两两配对,只有对偶点才有可能。奇点是不能作为中间点的,因为奇点与奇数条线相联,所以要么进入这点的线比离开这点的线多一条,要么离去这点的线比进入这点的线多一条。所以图中的奇点在一笔画时只能作为起点和终点。但一笔画只有一个起点和一个终点,最多能有两个奇点。所以当一个网络图中的奇点多于两个时,就一定不能一笔画出。

如图38所示:网络图中,只有A、B两个奇点,所以一定可以一笔画出,不过A与B一定要作为起点和终点。一种可能的画法是A—B—C—D—E—F—G—H—I—G—B。

再看“七桥问题”的网络图50,在那个图中,A、B、D三点都与3条线相联,B与5条线相联,它们都是奇点,即图50中有4个奇点,所以是不能一笔画出的。换句话说,“七桥问题”所要求的那种走法是不存在的。

那么一个不能一笔画出的网络图,究竟要用多少笔才能画出呢?又用什么办法去判别它呢?这个问题很简单。我们以“七桥问题”的网络图为例,任取两个奇点,例如A与C,在它们之间加一条线,这两个点就都变成了偶点,图39便可一笔画出。当画笔经过补加的虚线时,事实上画笔已经间断一次,所以图40只要两笔可以画出。

一般地,一个网络图中如果有2k+1或2k+2个奇点,则用k笔可以画成。

曾为哥尼斯堡居民深感遗憾的人们已经可以感到欣慰了。

因为1935年(当时这个城市属于苏联,称为加里宁格勒),人们已在帕瑞格河上架起了第八座桥,所以现在市民们考虑的已不再是“哥尼斯堡七桥问题”,而是“加里宁格勒八桥问题了。你能找到一条散步的路线,从一块陆地出发走遍8座桥,而不重蹈旧迹吗?

现在我们来讨论另一种有趣的网络图。图41叫做哈密尔顿环行图。它是英国数学家哈密尔顿提出来的。图中每个顶点代表一个城市,点与点之间的联线代表一条道路,一个旅行者可以从任何一个城市出发走遍所有的城市再回到原处(不要求走遍所有的道路),却不走重复的路线,也不经过除了出发点城市以外的其他城市两次,具有这种性质的图就称为哈密尔顿环行图。请你给图41设计一条环行线路。

并不是所有的图都能成为哈密尔顿环行图,例如下面的图43和图43就不是哈密尔顿环行图:我们来证明图42不是哈密尔顿环行图。因为在图43中恰好有8个奇点和6个偶点,不难看到,不管你走什么路线,从偶点只能走到奇点,从奇点只能走到偶点。如果存在一条哈密尔顿环行路线,奇点和偶点必然相间地经过,如果最初从奇点出发,则在整个图中,奇点恰好比偶点多1个;从偶点出发,则偶点比奇点多1个。但图43中奇点比偶点多2个,所以图42不可能是哈密尔顿环行图。我们把对图43的分析留给读者。

欧拉为了解决七桥问题而建立了网络理论这一重要的数学分支,今天它的理论及其应用都已经得到极大的发展,它在工程管理、信息传播、交通运输、程序设计等领域中都有十分出色的应用。

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