三年级数学奥数讲座一笔画(一)
如果一个图形可以用笔在纸上连续不断而且不重。
复地一笔画成,那么这个图形就叫一笔画。显然,在下面的图形中,(1)(2)不能一笔画成,故不是一笔画,(3)(4)可以一笔画成,是一笔画。
同学们可能会问:为什么有的图形能一笔画成,有的图形却不能一笔画成呢?一笔画图形有哪些特点?
关于这个问题有一个著名的数学故事——哥尼斯堡七桥问题。哥尼斯堡是立陶宛共和国的一座城市,布勒格尔河从城中穿过,河中有两个岛,18世纪时河上共有七座桥连接a,b两个岛以及河的两岸c,d(如下图)。
所谓七桥问题就是:一个散步者要一次走遍这七座桥,每座桥只走一次,怎样走才能成功?
当时的许多人都热衷于解决七桥问题,但是都没成功。后来,这个问题引起了大数学家欧拉(1707-1783)的兴趣,许多人的不成功促使欧拉从反面来思考问题:是否根本就不存在这样一条路线呢?
经过认真研究,欧拉终于在2023年圆满地解决了七桥问题,并发现了。
一笔画原理。欧拉是怎样解决七桥问题的呢?因为岛的大小,桥的长短都与问题无关,所以欧拉把a,b两岛以及陆地c,d用点表示,桥用线表示,那么七桥问题就变为右图是否可以一笔画的问题了。
我们把一个图形上与偶数条线相连的点叫做偶点,与奇数条线相连的点叫做奇点。如下图中,a,b,c,e,f,g,i是偶点,d,h,j,o是奇点。
欧拉的一笔画原理是:
1)一笔画必须是连通的(图形的各部分之间连接在一起);(2)没有奇点的连通图形是一笔画,画时可以以任一偶点为起点,最后仍回到这点;
3)只有两个奇点的连通图形是一笔画,画时必须以一个奇点为起点,以另一个奇点为终点;
4)奇点个数超过两个的图形不是一笔画。
利用一笔画原理,七桥问题很容易解决。因为图中a,b,c,d都是奇点,有四个奇点的图形不是一笔画,所以一个散步者不可能不重复地一次走遍这七座桥。
顺便补充两点:
1)一个图形的奇点数目一定是偶数。
因为图形中的每条线都有两个端点,所以图形中所有端点的总数必然是偶数。如果一个图形中奇点的数目是奇数,那么这个图形中与奇点相连接的端点数之和是奇数(奇数个奇数之和是奇数),与偶点相连的线的端点数之和是偶数(任意个偶数之和是偶数),于是得到所有端点的总数是奇数,这与前面的结论矛盾。所以一个图形的奇点数目一定是偶数。
2)有k个奇点的图形要k÷2笔才能画成。
例如:下页左上图中的房子共有b,e,f,g,i,j六个奇点,所以不是一笔画。如果我们将其中的两个奇点间的连线去掉一条,那么这两个奇点都变成了偶点,如果能去掉两条这样的连线,使图中的六个奇点变成两个,那么新图形就是一笔画了。
将线段gf和bj去掉,剩下i和e两个奇点(见右下图),这个图形是一笔画,再添上线段gf和bj,共需三笔,即( 6÷2)笔画成。
一个k(k>1)笔画最少要添加几条连线才能变成一笔画呢?我们知道k笔画有2k个奇点,如果在任意两个奇点之间添加一条连线,那么这两个奇点同时变成了偶点。如左下图中的b,c两个奇点在右下图中都变成了偶点。
所以只要在k笔画的2k个奇点间添加(k-1)笔就可以使奇点数目减少为2个,从而变成一笔画。
到现在为止,我们已经学会了如何判断一笔画和多笔画,以及怎样添加连线将多笔画变成一笔画。
仅此学习交流之用。谢谢。
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