图论1:哥尼斯堡七桥问题的证明

图论1:哥尼斯堡七桥问题的证明

很久很久以前,有个大名鼎鼎的地方,叫哥你是宝哥尼斯堡。。

哥尼斯堡有一条河,河里有两座小岛,两座小岛和周边的陆地总共有七座桥连接起来。这里风景优美,空气新鲜,以至于很多市民都喜欢来这边旅游观光。

Figure 1. 风景优美,空气新鲜的哥尼斯堡七桥
 
 【NOTE】 红色方框表示桥,黑色方框表示陆地。

慢慢的,乐于游玩的市民们就想到一个问题: 有没有一种办法,可以从任意一个地方出发,然后恰巧每个桥只经过一次,观赏完所有风景之后又回到起点呢?

市民们使用了各种方式:

Figure 2. 这样的
 
Figure 3. 这样的
 
Figure 4. 这样的

……

但不管怎么样都做不到。。

于是有人把这个问题写了封信,寄给了当时大名鼎鼎的数学家欧拉,

致敬欧拉大师
 

欧拉花了一年时间,最终证明了这个问题是无解的!

那么怎么去证明这个问题无解嘞?

我们可以先把地图模型简化成这样的二维模型:

 
Figure 5. 风景优美,空气新鲜的哥尼斯堡七桥
【NOTE】  红色方框表示桥,黑色方框表示陆地。这地方漂亮极了。

于是简化成了四个点、七条边,如何证明一个图形,从任意一点出发,每条边仅经过一次,最终又回到起点呢?

这个问题还是有点复杂,我们再对问题做一次简化,把七条边简化成一条,把四个点简化成一个点,那么得到如下模型:

Figure 6. 简化版的陆地和桥
 

这……这不就是一个圆嘛!!

我们给图里的下一个定义:

从一个点出发,经过若干条边和点之后,最终能够回到原点,整个经过的路径我们称之为

所以,七桥问题其实等同于画圆问题!

不管有几个顶点,也不管有几条边,从一点出发最终回到该点,本质上就是画圆。

所以对于上述证明问题,本质上就是求解能否在图形上构造出一个圆。

对“简化版的陆地和桥”做一层抽象,其实图中只具备两个元素:

A岛:连接着X桥。

X桥:首尾两端都连接着A岛。

我们可以得出一个结论,在最简单的情况下,从能够从A点画圆的充要条件为:A点必须具备一个出口,同时也必须具备一个入口。


然后我们可以引入一个概念,将点A的入口/出口的数量统称为点A的 度 

之后我们再做一次扩展,为A岛再建造一座桥:

Figure 7. 稍微复杂一点的陆地和桥

路线不管是 A → X → A → Y → A 还是 A → Y → A → X → A,依然可以回到原点。

A岛:连接着X桥。

X桥:首尾两端都连接着A岛。

Y桥:首尾两端都连接着A岛。

此时,A岛具备了两个入口和两个出口(4个度)。

之后,我们还可以再建造第三座桥、第四座桥,但不管建造几座桥,A点的出口数量必须等于入口的数量(即A点的 度 必须是偶数),否则就无法画圆:

 
Figure 8. 只有出口或只有入口的A岛
 

然后我们再回过头来看我们的“七桥”。

 
Figure 9. 风景优美、空气新鲜的七桥
 

其中,A、C、D点的度为3,B点的度为5,都是奇数,这就意味着它没有能够画圆的起点/终点。

所以我们得到结论:该问题无解!

当然,欧拉大师并不是这么证明七桥问题无解的,我们可以后面再介绍。

这一小节中,我们证明了七桥问题本质上是个画圆问题,并且证明了七桥问题是无解的,同时窥探了一些图的性质。

在下一小节,我们再研究如下问题:画圆除了必须具备大于0且偶数个度的起点/终点之外,还需要具备哪些特性。

欢迎读者们提出宝贵的意见或建议,作者会持续改进。

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