作者: Lson Lee · 獨立開發者,益智遊戲愛好者

柯尼斯堡七橋

關於週日散步的一個簡單問題如何發明了整個數學分支

謎題

18世紀,普雷格爾河兩岸建有柯尼斯堡城(今俄羅斯加里寧格勒),中間有兩個大島。七座橋樑連接這四個大陸。

市民有一個簡單的問題:是否有可能步行穿過這座城市,七座橋中每座只穿過一次,而不需要兩次穿過任何一座橋?

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

7座橋樑連接4塊大陸
你能只過每座橋一次嗎?

人們嘗試了很多年,但都失敗了。沒有人能找到路線。但也沒有人能證明這是不可能的──直到一位名叫萊昂哈德·歐拉 1736年接受了挑戰。

歐拉的見解

歐拉的天才在於意識到城市的確切佈局並不重要。重要的是連接結構 ——哪些陸地與哪些陸地相連,以及經過多少座橋樑相連。

他去掉了所有地理細節,將問題簡化為本質:

  A(3 橋)--- B(5 橋)
  | |
  C(3 個橋)--- D(3 個橋)

每個字母 = 一塊陸地(頂點)
每個連接 = 一座橋(邊)
數量 = 有多少座橋樑接觸該大陸

這就是我們現在所說的的誕生 — 由邊連接的一組頂點(節點)。歐拉剛發明圖論

關鍵發現

歐拉注意到關於接觸每個陸地的橋樑數量(我們現在稱之為學位 每個頂點):

所有四個大陸都有奇數數量的橋樑。 歐拉證明這使得問題變得不可能。

他的推理是:如果你走過一塊陸地(從一座橋進入並從另一座橋離開),你就會使用橋樑一次兩個。因此,任何不是您的起點或終點的陸地都必須有一個甚至 橋樑數量。一條路,每座橋都經過一次,就能擁有最多兩個 奇數度頂點(起點和終點)。

柯尼斯堡有 奇數度頂點。因此,不存在解決方案。

從橋樑到一筆畫謎題

歐拉定理為我們提供了何時可以進行「一筆」遍歷的確切規則:

歐拉一劃遍歷規則

  • 0 個奇數度頂點: 您可以一筆畫出它,在同一點開始和結束(歐拉電路
  • 2 個奇數度頂點: 您可以一筆畫出它,從一個奇數頂點開始,到另一個頂點結束(一個歐拉路徑
  • 超過 2 個奇數度頂點: 不可能。不存在一擊式解決方案。

每一款單筆益智遊戲 - 包括一劃 ——是建立在這些規則之上的。當 One Stroke 的程式生成演算法創建一個新謎題時,它使用歐拉定理從數學上保證每個謎題至少有一個解決方案。

當你玩一筆畫謎題時,你正在解決歐拉在 1736 年解決的同一類型的問題。你正在研究圖論——你只是可能不知道而已。

為什麼這在今天很重要

歐拉關於橋的看似簡單的見解開創了整個數學領域。圖論現在對於以下方面至關重要:

這一切都始於一個關於普魯士城市七座橋樑的問題,以及一位數學家看到了隱藏在下面的優雅結構。

常見問題解答

什麼是柯尼斯堡七橋問題?

這是 1736 年著名的數學難題。柯尼斯堡市有七座橋樑連接兩個島嶼和兩個大陸地區。問題:你能在城市中穿過每座橋一次嗎?歐拉證明這是不可能的,因為所有四個大陸都有奇數數量的橋樑。

為什麼這個問題很重要?

歐拉的解決方案被認為是圖論的第一個定理,圖論是數學的一個分支,現在是電腦科學、網路分析、GPS 路由和益智遊戲設計的基礎。每個一筆畫益智遊戲都是這個 1736 年證明的直系後代。

和一筆畫謎題有什麼關係?

一筆畫謎題提出了與七橋相同的基本問題:你能在不回溯的情況下精確地遍歷每條路徑一次嗎?歐拉定理提供了確定何時可行的數學規則。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。

柯尼斯堡還有七座橋嗎?

不。柯尼斯堡現在是俄羅斯的加里寧格勒。原來的兩座橋樑在第二次世界大戰中被摧毀,其他橋樑已被重建。現代城市有不同的橋樑佈局,但歐拉從最初的七座橋樑中得出的數學見解仍然是永恆的。

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