18世纪的哥尼斯堡(现为俄罗斯加里宁格勒)是一座坐落在普雷戈尔河上的城市。这座城市分为四个部分:河的两岸以及河中两个岛屿。为了连接这些地方,人们在河上修建了七座桥。
居民们经常思考一个问题:是否可以从某个地方出发,走遍所有桥,并且每座桥只走一次,然后回到出发点?
这个问题传到了瑞士数学家欧拉的耳中。他在1736年的论文中正式解决了这个问题,并开创了一个全新的数学领域——图论。
欧拉的解决思路非常巧妙:
1. 他将城市的地理图转化为一个抽象的数学图。城市的四个部分用点(称为顶点)表示,桥用线(称为边)连接顶点。
2. 他提出,问题的本质是找到一种“欧拉回路”,即从某个顶点出发,经过每条边一次并且仅一次,最终回到起点。
通过分析,欧拉得出结论:
- 如果一个图中所有顶点的度数(连接边的数量)都是偶数,那么存在欧拉回路。
- 如果有两个顶点的度数是奇数,那么存在一个从某点出发的“欧拉路径”,但无法形成回路。
- 如果顶点中有超过两个奇数度顶点,就不可能有欧拉路径或回路。
在哥尼斯堡七桥问题中,四个顶点的度数分别是3、3、3、和5(均为奇数)。因此,这个图中既不存在欧拉回路,也不存在欧拉路径。问题的答案是不可能。
哥尼斯堡七桥问题看似只是一个城市中居民的闲聊,但它推动了数学的重大进步。欧拉的解答标志着拓扑学和图论的诞生,这些领域如今被广泛应用于网络分析、交通规划、生物信息学等现代科技领域。
例如:
- 在交通规划中,如何设计一条覆盖城市主要道路的路径?
- 在物流行业,如何规划一条最优送货路线?
- 在计算机网络中,如何确保信号高效传输?
这些问题都可以追溯到欧拉当年提出的图论概念。
数学的魅力在于它能够将复杂的问题抽象成简单的模型,进而揭示其中的普遍规律。哥尼斯堡七桥问题教会我们:看似随意的现象,也可能蕴含着数学的深刻奥秘。