第八讲 一笔画问题一、一笔画问题问题 1 你能一笔画出一个“田”字吗？所谓一笔画出的意思就是在一张纸上（不允许折叠）笔不离纸,而且每一笔划（或称线段）只能画一次,不准重复.对于“串”字或“品”字呢？结果会怎样？（参看图 8－1）通过各种尝试发现,“田”字总也不能一笔画成,而“串”字却可以一笔画 成.由于“品”字中的三个“口”字不连在一起,显然也不能一笔画成.我们把那些能一笔画成的图形叫一笔画.一笔画问题主要讨论什么样的图形 可以一笔画成.例 1 下列图形哪些能一笔画成？哪些不能一笔画成？经过尝试,你会发现,图 8－2（a）、（c）、（e）是可以一笔画成的.而且图（c）、（e）可从任意一点出发,一笔画成回到出发点,而图（a）只能从 A（或 D）点出发,一笔画成到 D（或 A）点结束.如果图形非常复杂,用这种逐一尝试的方法,则所花的时间较多,且有时还 无法下结论.有没有一种简便的判断方法呢？下面就来研究这个问题.上面研究的图形都是由点和线段（或弧）组成的,在数学中叫做图.图形中 的点叫图的结点,线段（或弧）叫做图的边.作为一个图,其图形还必须满足以 下条件：（1）每条边都有两个端点（可以重合）作为结点；（2）各条边之间互不相交.一个图完全由它的结点和边的个数以及它们相互连结的情况来确定,而与边 的曲直长短无关.图中与一个结点相连结的边的条数称为这个结点的度数.度数为偶数的结点叫做偶结点.例如,图 8－3 中结点 C、D、E 都是偶结点.度数为奇数的结点叫做奇结点.例如,图 8－3 中结点 A、B、F、G 都是奇结点.任何两点间都有线连接的图称作连通图.（如图 8－3 中 D 与 G 可通过 DB、BA、AG 连接）观察例 1 中的五个图,其结点的奇偶性可列成下表：从表中可以发现,一个图能否一笔画成,与图的奇结点的个数有密切联系, 人们总结出如下规律：一个图若是一笔画必定是个连通图.一个连通图,若没有奇结点（即全是偶结点）,那么这个图一定可以一笔画 成,而且可以从任一偶结点出发,一笔画成回到出发点.一个连通图,若只有两个奇结点,那么这个图也可以一笔画成.而且只能从 某一奇结点出发一笔画成,到另一奇结点结束.一个图,若奇结点个数多于两个,那么这个图就不能一笔画成. 例 2 判断下列各图是否能一笔画出来.解：其中（b）、（d）、（e）三个图无奇结点,所以可从任一点出发,一笔画成, 并且回到出发点；（a）、（f）两图各有两个奇结点,所以可从其中一个奇结点出发,一笔画成,到另一个奇结点结束；而图（C）的八个结点都是奇结点,所以不能一笔画出来.当作练习,请把例 2 中能够一笔画的图一笔画出来.二、七桥问题和欧拉定理问题 2 七桥问题.关于一笔画,曾有一个颇为著名的哥尼斯堡七桥问题.事情发生在 18 世纪的哥尼斯堡,有一条河流从这个城市穿过,河中有两个小岛 A、B,河上有七座桥连结两个小岛及河的两岸（参看图 8－5）,那里的居民在星期日有散步的习惯.有的人想,能不能一次走遍七座桥,每座桥只走过一次,最后回到出发点？这个问题似乎不难,谁都想试一试,但谁也没有找到答案.后来有人写信请教著名的瑞士数学家欧拉.欧拉的头脑比较冷静,千百人的失败使他猜想：也许那样的走法根本就不存在.1936 年他证明了自己的猜想.欧拉解决七桥问题的方法独特,思想新颖,非常富有启发性.他用点表示小 岛和两岸,用连结两点的线段表示连结相应两地的桥,得到由七条线段连结四个点而成的图形（参看图 8－5（b））.这样七桥问题就变成了一个一笔画问题： 能不能一笔画出这个图形,并且最后返回起点？前面我们虽然通过对例 1 的分析归纳出了一个连通图是否能一笔画出来的三条结论,但并没有证明,没有说明这 是为什么.下面我们简要说明其中的道理.一个连通图能否一笔画成主要是与结点的边数（也称度数）有关.假定某个图能一笔画成,如果结点 P 不是起点或终点,而是中间点,那么 P 一定是个偶结点.因为无论何时通过一条边进入 P,由于不能重复,必须从另一条边离开 P,因此与 P 连结的边一定成对出现,所以 P 是偶结点.如果一个结点 Q 是奇结点,那么在一笔画中只能是起点或终点.由此可以看出,在一个一笔画中,奇结点个数至多只能有两个.由于哥尼斯堡七桥问题相应的图中有四个奇结点,所以不能一笔画成.也就 是说,七桥问题无解,证实了欧拉的猜想.欧拉通过对七桥问题的研究,不仅圆满地回答了哥尼斯堡居民提出的问题, 而且得到并证明了更为广泛的上述有关一笔画的三条结论,人们通常称之为欧拉定理.1736 年,欧拉在圣彼得堡科学院作了一次报告,公布了他关于七桥问题的研究成果.欧拉在研究中提出了一种新颖的数学问题及思想方法,它标志着一门崭新的数学学科——图论的诞生.对于一个连通图,通常把从某结点出发一笔画成所经过的路线叫做欧拉路.例如,图 8－6（a）中的图无奇结点,可以从 A 点出发,一笔画成回到 A 点, 其路线为 A→D→E→H→D→G→H→I→F→E→B→F→C→B→A.图 8－6（b）中的图有两个奇结点 C 和 E,可以从 E 出发一笔画成,到 C 结束.其路线为 E→D→C→B→A→C.这两条路线都是欧拉路.应当注意：一个图如果存在欧拉路,那么不一 定是唯一的.人们又通常把一笔画成回到出发点的欧拉路叫做欧拉回路.具有欧拉回路的 图叫做欧拉图.例如,图 8－6（a）所表示的路线就是一条欧拉回路,因此相应的图就是一个欧拉图.例 3 图 8－7 是一公园的平面图,线段表示路径,要使游客走遍每条路且不重复, 问出入口应设在哪里？分析与解：这个问题实质上是一个一笔画问题.图中只有两个奇结点 C 和 E,因此,只要把出入口分别设在这两个奇结点处,游客就能由入口进入公园,不重复 地走遍每条路,然后从出口处离开公园.例 4 能否一笔画出一条曲线,使它和图 8－8 中的八条线段都只相交一次（不准在端点处相交）？分析与解：尝试几次后,会感到很难下结论.事实上,直接寻找答案并不容易.我们可从七桥问题得到启示.原图形把平面分成了五个部分,分别用 A、B、C、D、E 五个点表示.两个点之间的连线正好用来表示与相应的线段相交一次,如图 8－8（b）.于是,问题就变成了图 8－8（b）中所表示的图能否一笔画成.因为图中 A、B、C、D 都是奇结点,因此,它不能一笔画成,即不存在符合题目要求的曲线.例 5 图 8－9 表示一个展览馆的平面图,其中共有五个展览室,每个展览室都有一个门通向室外.能否设计一条参观路线,一次不重复地穿过每一个门并能回到 原地.分析与解：如果用 A、B、C、D、E 表示展览室,用 F 表示室外,用连线表示相应的门,那么图 8－9（a）就变成了图 8－9（b）于是问题就转化为判断图 8－9（b） 是否为欧拉图.由图中可以看出,点 C、D、E、F 都是奇给点,因而图 8－9（b）不具有欧拉回路.所以不是欧拉图.也就是说,不存在题中所要求的那种参观路线.可以进一步考虑,关闭了哪两个门之后,就能设计出符合题中要求的参观路 线了？为此,只要使图 8－9（b）变为欧拉图,即使它的奇结点个数为 O 即可.例如抹去线段 CD 和 EF 后的图就没有奇结点了.也就是说,如果关闭 C、D 之间和E、F 之间的两个门,就能设计出一条参观路线,一次不重复的穿过每一个门,并能回到原地.请你试一试,同时想一想,是否还存在其它的答案,一共有几种？习题八1．判断下列各图是否能一笔画成.2．一个花园的小径如图 8－11 所示,散步者能否不重复地一次走遍全部小径？3．图 8－12 中 A、B、C、D 是四个防空洞,相邻防空洞之间有地道相通,且每个防空洞各有一条地道与地面相通,能否找到一条路线不重复地走遍所有地 道？4．用剪刀能否一次连续剪下图 8－13 所示的纸上的 3 个正方形和 2 个三角形？5．一只蚂蚁,从图 8－14 右上角长方形中 P 点出发爬行,它要越过这图中16 条线段.每条线段只能通过一次,且不能通过线段的端点,你认为存在这样的路线吗？806．图 8－15 表示一个有九个展室的展览馆平面图,每相邻的展室之间都有一道门相通,能否设计一条参观路线,从入口进去,每道门只通过一次,再由出口出去？如果能,则标出参观路线；如果不能,则考虑至少要增开几道门就可设计 出符合要求的路线,并标出“新门”的位置.81。