欧拉与七桥问题——抽象的力量
沿着俄罗斯和波兰的边界,有一条很长的布格河。这条河流经俄罗斯古城哥尼斯堡,它是今天俄罗斯西北边境城市加里宁格勒。
巴格河穿过哥尼斯堡市。它有两条支流,一条叫做新河,另一条叫做旧河。当两条河流在市中心汇合时,它们就成为主流,称为大河。在新旧河流和大河之间,有一个岛屿区,这是城市的繁荣地区。这座城市分为北、东、南、岛四个区,有七座桥将它们连接起来。
人们长时间生活在河流和岛屿上,在七座桥之间穿行。有人问这个问题:你能一次通过所有七座桥,而每座桥只能通过一次吗?这个问题被提出后,许多人对此非常感兴趣,并进行了一个又一个的实验,但是很长一段时间,他们仍然没有解决它。最后,人们不得不向俄罗斯科学院院士欧拉提出这个问题,请他帮忙解决。
1737年,欧拉在30岁时接受了“七桥问题”。他心想:试试看。他从中间岛区开始,穿过桥1到达北部区域,从桥2返回岛区,穿过桥4进入东部区域,穿过桥5到达南部区域,然后穿过桥6返回岛区。现在,只有三号桥和七号桥没有通过。显然,从岛区穿过三号桥的唯一方法是先穿过一号桥、二号桥或四号桥,但这三座桥都已经过了。行动失败了。欧拉又换了一种方式:东北岛、南岛、北岛。这种走路方式仍然不可行,因为五号桥还没有通过。欧拉甚至不能尝试几种行走方式,这个问题真的不简单!他计算出行走的方式有很多种,总共有7×6×5×4×3×2×1=5040种。
聪明的欧拉终于想出了一个聪明的办法。他用A代表岛屿地区,用B、C和D分别代表北部、东部和西部地区,用弧形或直线段代表七座桥。结果,七座桥的问题变成了图论分支中的一笔问题,也就是说,上面的图形是否可以用一个笔头不重复地画出来。
欧拉集中精力研究这个图形,发现中间的每一点都有一条线画到那个点,还有一条线从那个点画出来。也就是说,除了起点和终点,穿过中点的线必须是偶数。就像上图一样,因为它是一条闭合曲线,所以,穿过所有点的直线必须是偶数。在这个图中,有五条线穿过点A,三条线穿过点B、C和D,它们都不是偶数。因此,无论从那一点开始,总有一条线没有画出来,也就是说,有一座桥没有到达。欧拉最终证明了一次走七座桥而不重复它们是不可能的。
天才的欧拉只用一步证明就总结了5040种不同的行走方法。从这里我们可以看到数学是多么强大!
芝诺“追乌龟”悖论
论述如下:
阿喀琉斯是古希腊神话中善跑的英雄。他和乌龟赛跑,速度为乌龟十倍。乌龟在前面100米跑,他在后面追,但他不可能追上乌龟。因为在竞赛中,追者首先必须到达被追者的出发点,当阿喀琉斯追到100米时,乌龟已经又向前爬了10米。于是,一个新的起点产生了,阿喀琉斯必须继续追。而当他追到乌龟爬的这10米时,乌龟又已经向前爬了1米,阿喀琉斯只能再追向那个1米。就这样,乌龟会制造出无穷个起点,它总能在起点与自己之间制造出一个距离,不管这个距离有多小,但只要乌龟不停地奋力向前爬,阿喀琉斯就永远也追不上乌龟!
这个论断明显有悖常理, 请分析究竟错在哪里,尝试用学到的极限知识分析说明。