对数学,你是不是在抱怨无趣乏味,没趣也逼自己在没办法痛苦地学!现在数学终结者来了,张远南,著名中学数学特级教师,耗费数年心血,或史海钩沉,或点石成金,将一个个与数学有关的故事讲得栩栩如生,引人入胜,让你在不知不觉中感受到数学的神奇和魅力,并喜欢上数学。
哥尼斯堡问题的来龙去脉
现今的加里宁格勒,旧称哥尼斯堡,是一座历史名城。在18、19世纪,那里是东普鲁士的首府,曾经诞生和培育出许多伟大的人物。著名的哲学家、古典唯心主义的创始人康德,终生没有离开过哥尼斯堡一步1 20世纪最伟大的数学家之一——德国的希尔伯特,也出生于此地。
哥城景致迷人,碧波荡漾的普累格河,横贯其境。在河的中心有一座美丽的小岛。普河的两条支流,环绕其旁汇成大河,把全城分为下图所示的4个区域:岛区(A)、东区(B)、南区(C)和北区(D)。著名的哥尼斯堡大学,倚傍于两条支流的河旁,使这一秀色怡人的区域,又增添了几分庄重的韵味I这里有7座桥横跨普累格河及其支流,其中5座把河岸和河心岛连接起来。这一别致的桥群,古往今来,吸引了众多的游人来此漫步!
早在18世纪以前,当地的居民便热衷于以下有趣的问题:能不能设计一条路线,使得它经过这7座桥且每座桥都只通过一次?这便是著名的哥尼斯堡七桥问题。
读者如果有兴趣,完全可以照样子画一张地图,亲自尝试一下。不过,要告诉大家的是:想把所有的可能线路都试一遍是极为困难的j因为各种可能情况不下5000种,要想一一试过,谈何容易!正因为如此,七桥问题的解答便众说纷纭:有人在屡遭失败之后,倾向于否定满足条件的解答的存在;另一些人则认为,巧妙的答案是存在的,只是人们尚未发现而已,这在人类智慧所未及的领域,是很常见的事!
问题的魔力,竟然吸引了天才的欧拉。这位年轻的瑞士数学家,独具慧眼,看出了这个似乎是趣味几何问题的潜在意义。
1736年,29岁的欧拉向彼得堡科学院递交了一份题为《哥尼斯堡的7座桥》的论文。论文的开头是这样写的:“讨论长短大小的几何学分支,一直被人们热心地研究着。尽管如此,至今仍有一个几乎完全没有被探索过的分支,莱布尼茨最先提起过它,称之‘位置的几何学’。这个几何学分支只讨论与位置有关的关系,不考虑长短大小,也不牵涉到量的计算。遗憾的是,至今尚未有令人满意的定义,来刻画这门位置几何学的课题和方法……”
接着,欧拉用他娴熟的变换技巧,把哥尼斯堡七桥问题变为读者所熟悉的“一笔画”问题:即能否笔不离纸,一笔但又不重复地画完图1—17
读者不难发现:图中的点A、B、C、D,相当于七桥问题中的4块区域;而图中的弧线,则相当于连接各区域的桥。我们还可以把此图简化为更标准的几何图形,如图1—2。
聪明的欧拉,正是在上述基础上,经过悉心研究,确立了著名的“一笔画原理”,从而成功地解决了哥尼斯堡七桥问题。不过,要弄清欧拉的特有思路,我们还得从“网络”的连通性讲起。
所谓网络,是指某些由点和线组成的图形,网络中的线弧都有两个端点,而且互不相交。如果一个网络中的任意两点,都可以找到网络中的某条弧线把它们连接起来,那么,这样的网络就称为连通的。连通的网络简称脉络。
显然,下页的3个图中,图(1)不是网络,因为它仅有的一条弧线只有一个端点;图(2)也不是网络,因为它中间的两条弧线相交,而交点却非顶点;图(3)虽是网络,但不是连通的。P3-5