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欧拉公式:通向色数之桥

时间:2023-07-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:这就是有名的欧拉公式。我们可以把欧拉公式稍加修改,变成:n-m+p=3-h。对于环面来说,连接数h=3,等号右边的3-h=0,所以:这就是环面的欧拉公式。欧拉公式把连接数、顶点数、边界数和国家数联系在一起,是从连接数通到色数的一座桥梁。此外欧拉还涉及建筑学、弹道学、航海学等领域。欧拉完全失明以后,仍然以惊人的毅力凭着记忆和心算进行研究,直到逝世,竟达17年之久。

欧拉公式:通向色数之桥

数学中,感觉到是一回事,证明出来是另外一回事,这两者之间的距离可能十分遥远。著名的哥德巴赫猜想就是一个明显的例子。

四色问题也是早就感觉到了的,后来经过了100多年才得到证明,耗费了许多数学家的精力。

数学家最初对这个问题不感兴趣,以为它太简单,不屑于考虑。后来,他们发现这个问题比想象的要困难得多,为了证明它,要研究许多有关的问题。其中很重要的一个问题,是要深入研究连接数和色数的关系。

给一张地图染色,最要紧的是各个国家谁挨着谁。边界线相交的地方,是三个国家的哨兵都可以到达的地方,我们把这种点叫做顶点。为了简单起见,我们假定没有4个或者更多的国家的哨兵可以到达的顶点。

顶点把边界线分成一段一段的,每一段边界线的两侧是两个国家。

一张地图,如果有n个顶点、m段边界线和p个国家,那么:nm+p=2。

这就是有名的欧拉公式。

上右图,这张简单的地图,它有4个顶点(标明了1、2、3、4),有6段边界(1到2、1到3、1到4、2到3、3到4、4到2),分为4个国家A、B、C、D(其中D占有圆圈外面的所有土地)。这样就有n=4,m=6,p=4;n-m+p=4-6+4=2,恰好合乎公式。

下面这张地图比较复杂,可以数出来n=10,m=15,p=7;nm+p=10-15+7=2,也恰好合乎公式。

对于环面来说,这个公式就不正确了。上节那张七色图,可以数出n=14,m=21,p=7;n-m+p=14-21+7=0。我们可以把欧拉公式稍加修改,变成:

n-m+p=3-h。这里h是连接数。

对于平面来说,连接数h=l,等号右边的3-h=2,这个公式就变成前面写过的公式。

对于环面来说,连接数h=3,等号右边的3-h=0,所以:

这就是环面的欧拉公式。环面的七色图,正好与这个公式相吻合。(www.xing528.com)

欧拉公式把连接数、顶点数、边界数和国家数联系在一起,是从连接数通到色数的一座桥梁

名师导读

正如马教授所说:在数学中,感觉到是一回事,证明出来是另外一回事,这两者之间的距离可能十分遥远。“然而勇于挑战的人,总是会欣赏到独特的风景。”

欧拉是数学史上公认的4名最伟大的数学家之一,同时也是数学史上最多产的数学家,在许多数学的分支中经常见到以他的名字命名的重要常数、公式和定理。此外欧拉还涉及建筑学、弹道学、航海学等领域。彼得堡科学院为了整理他的著作,足足忙碌了47年。

欧拉著作多到惊人并不是偶然的,他是一位非常勤奋的数学家,即使在恶劣的环境下仍然可以潜心研究。1771年彼得堡的大火,64岁的欧拉被围困在大火中,虽然失明的他被救了出来,但他的书房和大量研究成果却被火海淹没了,然而这并没有使欧拉倒下。欧拉完全失明以后,仍然以惊人的毅力凭着记忆和心算进行研究,直到逝世,竟达17年之久。而人生最后的7年,他还以惊人的速度产出了生平一半的著作。法国大数学家拉普拉斯曾说过一句话——读读欧拉,他是所有人的老师。

众所周知,数学家欧拉在解决“哥尼斯堡城‘七桥问题’”时开创了数学的新分支——图论,也就是我们所说的“一笔画”,一笔画图形的必要条件是:奇点(与奇数条边相连的点)的数目是0或者2。

例1:请在能够一笔画出的图形下面画“√”,不能一笔画出的图形下面画“×”。

答案解析:

图A奇点的个数是2个,点b和e;

图B奇点的个数是2个,点h和k;

图C奇点的个数是0个;

图D奇点的个数是4个,点a,b,c,d;

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