用一条线穿过每一条边,每条边只能穿过一次

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七桥奥数教育 |
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博文丢失,补记,写于[ 2010-01-10 18:10:00]
[读初二的女儿问了我这道题,我解不出来,这些天查了很多资料,原来问题不是这么简单的。]
一、问题的引入:
图像画法:很简单,一个矩形,中间画条横线,然后不是分为两层了吗?上面一层中间画条竖线分两半,下面一层用竖线平均分三半,得到5个矩形,图像中16条线段。
题目:用一条连贯的线切过每一条线段,不能切两次也不能不切,必须切一次!求那条线。(说明:线必须穿过直线,穿过交点和碰到线折返无效。)
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二、七桥问题:
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。
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问题是: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)。
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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1736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。
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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。
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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。
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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。
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三、对问题的转化分析:
1.实体图形转化成一笔画图形的方法
对于一笔画的应用时,实体图形转化成一笔画图形既是关键点也是难点。下面我们就详细剖析一下:
例:某展览馆的平面图如图所示,参观者能否无重复地穿过展室的每一扇门?如果能的话,他应该选择从哪个展室开始参观?
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[分析]关键问题是将展览馆的平面图化为一笔画图形.我们记住以下几点以后同类型的题就变得更加容易。
1)将图中所有的门(连通物)去掉(如图1)。
2)观察图形将纸面分成了几部分(注意图形外面还有一部分),将这几部分标号(如图2)。。
3)将每一部分看成点。(如图3)
4)按照字母的顺序连接,如A室有三个门,分别是与B,C,D,F,把AB,AC,AD,AF。同样看B,C,D,E,F各有几个连线,就连成了一笔画图形。(注意连线不要交叉如图)
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5)利用所学过的知识,判断图中奇顶点的个数.例如:此图有两个奇顶点,参观者能不重复地穿过各展厅的门,并可选择从室或室开始,如从室开始,路线是
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2.本问题的转换及分析:
(1)原始的路径:
http://s3/middle/59ab8a99x97f566513482&690
(2)按如下方式转换问题:
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奇数个点有4个:A(5条路径)、B(5条路径)、D(5条路径)、F(9条路径),显然,奇点既不是0个也不是2个,因此,无法一笔画完,此题无解。
3.结论的引申:
可以从形式上证明出来他是无解的:
(1)一共五个长方形如图所示,红色标记边仅仅被一个长方形占有,它的权重是1;蓝色标记的被两个矩形占有,它的权重是1/2。
这个权重就是说对应边如果是某个矩形单独占有,那它所起的作用就是1条边的作用,如果是在两个矩形交界的地方,那么这条边是在两个矩形当中都起作用,如果所求线穿过他,相当于两个矩形同时用掉一条边,而对于每个矩形来讲,它所起的作用就是半条边的作用。
这样可以看出来,总的权重(需要穿过的边数)加和应该是9+7/2=25/2,也就是12.5,它并不是一个整数边,而所谓的那条线每过一条边,其他需要穿过的边数就需要减一,而现在这并不是一个整数边,换句话说也就是不可能正好减为0,无论如何最后总会剩下一个蓝色标记的边无法画到。
不知道我这么说清楚表达我的意思了么。
(2)这个题在平面上可以转化成16桥问题,只是他的图中说出了三个奇点,三个5、5、5,而实际上还有第四个奇点,就是整个外围,如果把整个矩形外围算作一个点,那么它也是个奇点,因为一共有9个边和它相接,也就是这个点有9条线相连。奇点绝对是偶数个。
这样就好说了,一共4个奇点,那么就想办法把它消灭2个就可以了。
这个题在平面中确实而且绝对无解,但是在空间中就不一定了。就说消灭2个奇点,如果在空间范围来做,那完全可以假设那上侧左右两个矩形之间相连,你可以折起来把这两个矩形中的某个点贴住,这样那条线在进入这个左边或者右边的矩形后,可以选择继续从所在矩形穿出去往别的地方,也可以选择进入贴住的另一个矩形来从那个矩形中穿出,这样无形中就把左右矩形中所形象化的奇点给消失掉了,这样就剩下三个矩形中的中间那个矩形和整个外围形象化的点——这两个奇点,完全可以说从这两个奇点出发,一定可以完成题目的要求。
图中棕色的是大地,蓝色的是水,白色的是桥,岛上的数字是此岛上的桥的个数,或者说从这个点出发的线的条数,有三个奇数(分别是5,5和5),和“一笔画”的要求“它们是连通的,且奇顶点(通过此点弧的条数是奇数)的个数为0或2。”矛盾所以画不成。
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(3)结论:平面确实没法解,如果有解的话,就是对折了,对折到一个平面里....,这是空间几何的问题了....,这样才有可能。
四、奥数害人不浅:
这是一道老师考初中生的题,实际上就是一道奥数题,如果说不变态的确说不过去。本来是大数学家研究的问题,要一个初中学生完成,误国误民,害人不浅呀。