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第二十七章 一笔画

    他用点表示岛和陆地,两座小岛和河的两岸分别看作四个点。两点之间的连线表示连接它们的桥,七座桥看作这四个点之间的连线。这样河流、小岛和桥简化为一个网络图,七桥问题就变成网络图能否不提笔一笔画成的问题!

    今天又是周六,妞妞和爸爸、妈妈都在家里。爸爸给妞妞写书,妈妈做晚饭,妞妞则早早就完成了作业,在看数学兴趣小组的资料。数学老师最近表扬妞妞的次数很多,因为妞妞自从开始看爸爸写的书之后,变化很大。作业板书工整,计算仔细,上课注意力集中。有时写作业、温功课到很晚。遇到难题之后,妞妞再也不是胡乱猜测,而是静下心来思考。“安静会产生智慧。”妞妞现在也常常说这句话。

    最让爸爸感动的是有一次爸爸讲的题妞妞怎么都不明白,又说不清自己的问题,着急委屈得直哭,但是妞妞还是坚持要爸爸再讲,擦干眼泪继续思考,直到完全搞明白。和上个学期初相比,很难相信是同一个孩子。爸爸、妈妈、爷爷、奶奶都很高兴,觉得妞妞变得懂事多了。

    数学资料上面有一道思考题是这样的:一个8×8的方格,一只蚂蚁从左下(0,0)点爬到右上(8,8)点,只能沿着格子线走,最短路径有多长?有多少条?

    妞妞想不清,就拿来问爸爸。“爸爸,最短路径长度我知道,是16,可是有多少条我不太明白如何做。”

    “妞妞能不能猜一猜有多少条路径呢?”爸爸看完题,想了一会儿,有意识地逗妞妞。“应该有几十条,比如,这样,这样,都是不一样的路径。”妞妞小手在图上比画。

    爸爸拿出一张纸,画了一个8×8格子图,然后开始在图上边讲边写。“从(0,0)到(1,1)有几条最短路径?”

    “两条,这是最简单的了。”妞妞回答。

    “对!问题就是从最简单的情形开始分析,得出规律后再在复杂的情形下使用。如果把到每个点的最短路径数写下,我们能够看到十分有趣的规律。”说着爸爸在最下一行和最左一列写下了许多的1,在(1,1)点边上写下了2。

    “从(0,0)到最下边一行和最左边一列中的所有点的最短路径都只有一条,对不对?”爸爸用铅笔指着图问。

    “对,只能是沿直线走,否则就不是最短的路径。”妞妞点点头。

    “到(1,1)这一点的最佳路径是2条,分别从(0,0)经过(0,1)或(1,0)到(1,1)。路径和也应该是从(0,0)到(0,1)或(1,0)的最佳路径之和,对不对?简单理解就是如果到(1,1),必须先到(0,1)或(1,0),否则就不可能是最佳路径。”妞妞点点头。

    爸爸接着说:“所以从(0,0)到(1,2)的最佳路径数是到(1,1)和(1,0)的最佳路径数之和,也就是2+1=3,对不对?”

    “噢,原来是这样呀!这样我就能把所有的点上的数字都写下来!”妞妞十分兴奋,拉过爸爸的纸,一边嘴里喃喃地计算,一边开始在上面写数字。

    爸爸微笑地看着妞妞,过了好半天,妞妞算完了,长长出了一口气,“12870条路径!这么多呀!”把舌头伸的长长的,表示自己非常惊讶。

    “就是,这和我们的直觉不太一样,但是千真万确是这样的。”爸爸语气很肯定,“你有没有注意到这些数字的规律?”

    “它们两边是以对角线对称的。”说着,妞妞在(0,0)和(8,8)之间画了一条线,“两边的数是对称的!”

    “妞妞的观察能力真的好厉害!所以如果我们预先知道它们是对称的,那么在计算的时候我们就可以只计算一半就可以了。”爸爸觉得今天的趣味数学话题可以从这里开始了。“爸爸给妞妞讲个趣味数学的故事吧!”

    “好耶!”妞妞鼓起掌来。

    哥尼斯堡桥梁问题

    “俄罗斯加里宁格勒市,在十八世纪时叫哥尼斯堡,还是东普鲁士王国的首都。美丽的普莱格尔河横贯城市,河上建有七座桥,将河中间的两个岛和河岸连接了起来,这里是人们闲暇时经常散步的地方。”爸爸说着,开始画出一张图。

    “时间长了,免不了有人提出一个有趣的问题,不管你从哪里开始,能不能不重复地走遍这七座桥,最后又回到原来的位置?

    “这个城市的居民几乎都被这个看起来很简单又很有趣的问题吸引,很多人尝试了各种各样的走法,但是始终没有人找到这样的一条路,可谁也不能说就不存在这样的一条路。看来要得到一个明确、理想的答案还真不那么容易。”妞妞听爸爸介绍后,自己也开始用指头在图上试着走。”

    爸爸接着说:“当29岁的大数学家莱昂哈德·欧拉在1736年访问这个城市时,有人带着这个问题找到他。欧拉是一位数学奇才,是数学史上最多产的数学家,有许多研究成果。欧拉还是许多目前通用的数学符号的发明者,例如π,i,e,sin,cos,tg,∑,f(x),等等,至今沿用。据说他的许多研究报告都是在第一次与第二次叫他去吃饭之间的30分钟内写出来的。伟大的欧拉对这个过桥问题经过一番仔细思考后,很快就用一种独特的方法给出了解答。而且开创了一门对后世有巨大影响的学科——拓扑学和图论。”爸爸又开始画图。

    “欧拉首先用自己天才的数学思维把这个问题简化。他用点表示岛和陆地,两座小岛和河的两岸分别看作四个点。两点之间的连线表示连接它们的桥,七座桥看作这四个点之间的连线。这样河流、小岛和桥简化为一个网络图,七桥问题就变成网络图能否不提笔一笔画成的问题!

    “对七桥问题欧拉的结论是:不可能每座桥都走一遍,最后回到原来的位置,因为所有能一笔画出来的图形的奇顶点(通过此点弧的条数是奇数的顶点)的个数必须也只能是0或2个。”妞妞的眼睛里有许多的迷惑,爸爸试图简单解释一下。

    “简单地说,当一个人由一座桥(弧)进入一块陆地(点)时,他同时也必须由另一座桥(弧)离开这个陆地,所以每次经过一点必须有两条弧和它相连。从一个起点离开的线与最后回到起点的线亦是两条,因此每一个点相连的弧数必为偶数,方能保证能一笔画出,且回到起点。对不要求回到起点的一笔画问题,可以有两个奇点,一个出发、一个结束。

    “七桥问题的图形中,没有一点含有偶数条弧,A点三条弧,B点5条,C点三条,P点三条,因此这个任务是无法完成的。”爸爸讲完了,静静地看着妞妞。

    “原来如此!”妞妞把头抬起来,嘘了一口气,“原来是这样!”

    “你告诉我这些图能不能够一笔画出?”爸爸在纸上画了三个图,“这就算是给你留的作业吧!”

    九个点排成3×3点阵,一笔能把九个点全部联通吗?