作者: Lson Lee · 独立开发者,益智游戏爱好者

柯尼斯堡七桥

关于周日散步的一个简单问题如何发明了整个数学分支

谜题

18世纪,普雷格尔河两岸建有柯尼斯堡城(今俄罗斯加里宁格勒),中间有两个大岛。七座桥梁连接这四个大陆。

市民有一个简单的问题:是否有可能步行穿过这座城市,七座桥中每座只穿过一次,而不需要两次穿过任何一座桥?

    北岸 (A)
   / |    \
  b1 b2 b3
 / |      \
岛屿|  岛
 (B)----b4----(C)
 \ |      /
  b5 b6 b7
   \ |    /
    南岸 (D)

7座桥梁连接4块大陆
你能只过每座桥一次吗?

人们尝试了很多年,但都失败了。没有人能找到路线。但也没有人能证明这是不可能的——直到一位名叫 莱昂哈德·欧拉 1736年接受了挑战。

欧拉的见解

欧拉的天才在于意识到城市的确切布局并不重要。重要的是 连接结构 ——哪些陆地与哪些陆地相连,以及通过多少座桥梁相连。

他去掉了所有地理细节,将问题简化为本质:

  A(3 个桥)--- B(5 个桥)
  |                 |
  C(3 个桥)--- D(3 个桥)

每个字母 = 一块陆地(顶点)
每个连接 = 一座桥(边)
数量 = 有多少座桥梁接触该大陆

这就是我们现在所说的的诞生 — 由边连接的一组顶点(节点)。欧拉刚刚发明 图论

关键发现

欧拉注意到关于接触每个陆地的桥梁数量(我们现在称之为 学位 每个顶点):

所有四个大陆都有奇数数量的桥梁。 欧拉证明这使得问题变得不可能。

他的推理是:如果你走过一块陆地(从一座桥进入并从另一座桥离开),你就会使用桥梁 一次两个。因此,任何不是您的起点或终点的陆地都必须有一个 甚至 桥梁数量。一条路,每座桥都经过一次,就能拥有 最多两个 奇数度顶点(起点和终点)。

柯尼斯堡有 奇数度顶点。因此, 不存在解决方案。

从桥梁到一笔画谜题

欧拉定理为我们提供了何时可以进行“一笔”遍历的确切规则:

欧拉一划遍历规则

  • 0 个奇数度顶点: 您可以一笔画出它,在同一点开始和结束( 欧拉电路
  • 2 个奇数度顶点: 您可以一笔画出它,从一个奇数顶点开始,到另一个顶点结束(一个 欧拉路径
  • 超过 2 个奇数度顶点: 不可能。不存在一击式解决方案。

每一款单笔益智游戏 - 包括 一划 ——是建立在这些规则之上的。当 One Stroke 的程序生成算法创建一个新谜题时,它使用欧拉定理从数学上保证每个谜题至少有一个解决方案。

当你玩一笔画谜题时,你正在解决欧拉在 1736 年解决的同一类型的问题。你正在研究图论——你只是可能不知道而已。

为什么这在今天很重要

欧拉关于桥的看似简单的见解开创了整个数学领域。图论现在对于以下方面至关重要:

这一切都始于一个关于普鲁士城市七座桥梁的问题,以及一位数学家看到了隐藏在下面的优雅结构。

常见问题解答

什么是柯尼斯堡七桥问题?

这是 1736 年著名的数学难题。柯尼斯堡市有七座桥梁连接两个岛屿和两个大陆地区。问题:你能在城市中穿过每座桥一次吗?欧拉证明这是不可能的,因为所有四个大陆都有奇数数量的桥梁。

为什么这个问题很重要?

欧拉的解决方案被认为是图论的第一个定理,图论是数学的一个分支,现在是计算机科学、网络分析、GPS 路由和益智游戏设计的基础。每个一笔画益智游戏都是这个 1736 年证明的直系后代。

和一笔画谜题有什么关系?

一笔画谜题提出了与七桥相同的基本问题:你能在不回溯的情况下精确地遍历每条路径一次吗?欧拉定理提供了确定何时可行的数学规则。像 One Stroke 这样的游戏使用这些规则来生成保证可以解决的谜题。

柯尼斯堡还有七座桥吗?

不。柯尼斯堡现在是俄罗斯的加里宁格勒。原来的两座桥梁在第二次世界大战中被毁,其他桥梁已被重建。现代城市有不同的桥梁布局,但欧拉从最初的七座桥梁中得出的数学见解仍然是永恒的。

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