六年数学“七桥问题”中一笔画能画

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  摘要:科学家欧拉在研究七桥问题,将其转化为一笔画,能画出的条件是:1、图是连通的。2、画中的顶点为奇点(与顶点相连的线的条数为奇数)个数为0到2。经本人研究,原来一笔画需要满足的2个条件不存在了,建立了理论:无条件原理。“七桥问题”中的一笔画,用新理论,能画出,用欧拉理论也能画出。
  关键词:欧拉;图论;一笔画可画;无条件原理(剪对论或李忠福原理)
  18世纪著名古典数学问题之一(是有关图论研究的热点问题)。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(如上图上)。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。
  1736年,在经过一年的研究之后,29岁的欧拉提交了《哥尼斯堡七桥》的论文,开创了数学新一分支---图论。 在论文中,欧拉将七桥问题抽象出来,把每一块陆地考虑成一个点,连接两块陆地的桥以线表示。并由此得到了如图一样的几何图形。 若我们分别用A、B、C、D四个点表示为哥尼斯堡的四个区域。这样著名的“七桥问题”便转化为是否能够用一笔不重复的画出过此七条线的问题了(如上图下)。若可以画出来,则图形中必有终点和起点,并且起点和终点应该是同一点,由于对称性可知由A或C为起点得到的效果是一样的,若假设以A为起点和终点,则必有一离开线和对应的进入线,若我们定义进入A的线的条数为入度,离开线的条数为出度,与A有关的线的条数为A的度,则A的出度和入度是相等的,即A的度应该为偶数。即要使得从A出发有解则A的度数应该为偶数,而实际上A的度数是3为奇数,于是可知从A出发是无解的。同时若从B或D出发,由于B、D的度数分别是5、3,都是奇数,即以之为起点都是无解的。 欧拉由此得到一笔画的规律: 由此可知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到2。 后来人们就依此来检验图形是不是可一笔画出。回头也可以由此来判断由“七桥问题”转化同的图,4个点全是奇点,可知不能“一笔画出”。
  这图三中第⑥笔终点是C,第⑦笔的起点是B,从C点跳到B点,这是断笔,不连续了,符合一笔画要求吗?看下面的画法。
  在一个圆绝筒上,B、C合为一点,按画一到图三笔顺画。从一侧看为图四,从另一侧看为图五。过B、C点将圆筒剪开,则“七桥问题”中的一笔画就出现在你眼前了。
  图中A、B、C、D四个奇点,B、C和为一点,奇点只有A、D两点,用欧拉理论就能画了。
  三、一笔画的新画法————无条件原理(折对论或李忠福原理)
  将纸折叠,使C在外凸线上,与B对接(靠在一起),笔就由C点来到B点,可完成图七中⑤、⑥、⑦笔顺,之后再将折对部分展开,这样就一笔画完七桥中一笔画。其中笔顺⑥和⑦可倒,②和⑤可倒,且可有其它笔顺的画法,读者可探究之。
  欧拉理论中有3种画不能一笔画出:1、连通图奇点数大于2;2、不连通的图;3奇点数大于2又不连通的图。多奇点的连通在上面的例子中已画出,不连通图,如图八、图九。
  图八画法:先画出外大三角形,折叠使笔停止点在外凸线上,用这点与内小三角形上任一点对接,这样就能从外大三角形画到内三角形了,图八就可画成了。画图九时,先画外圆,以笔终点折叠,让该点在折叠的外凸线上,用该点与内小圆对接,可画次内圆了,同上,逐次向内折对,每个圆都画出了。
  用折叠、对接,画后再展开的方法,不存在笔不连通(断笔)问题,想往哪画就能画到哪里,只要用一只笔画的画,都可一笔画成,多奇点又不连通的图,同样方法都能画成。
  欲画的图称为原图,原图可象图八、图九这样,在纸上有图,也可在心中有图,纸上无图,原图上无论有多少个偶点,都不妨碍一笔画出。原图上有N(N大于2)个奇点,原来认为不可一笔画出。N為2k或2k+1,K为大于1的自然数,这样的图,我们将两折对(奇点变为偶点),余下奇点数小于2,按欧拉理论是可一笔画出的。不连通的图,将不连通处折对,不连通的图也可一笔画出。
  由此可见,原来欧拉理论认为能一笔画出的图,仍可一笔画出,欧拉认为一笔画不出的图,也都能一笔画出了,一笔画不出的图没了。一笔画原来的条件不存在了。
  在原图上将奇点和不连通处折对,使笔连续画,从图中某一点可画到图上任意需要再画的地方(空间),画完后再将折对部分展开。象这种折叠、对接、展开的画法,在图论中可称为:无条件原理(折对论或李忠福原理)。
  无条件原理中主要是对接,对接使间断变为连接,解决了关键问题,折叠是为对接提供条件,展开是恢复画面平整。
  原来画不出的一笔画,是因为把纸看成是不动(静止)的,不变(折)的。事物是运动的,任何事物之间都是有联系的。
  一笔画可画,七桥有办法走,在下文‘走七桥之法’发表之前,读者可自行探之。
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