关于位置几何之一问题的解答
能否一次走遍柯尼斯堡的七座桥、每座恰好一次?欧拉的「不能」开创了图论。
七座桥,一座城,一个简单的挑战:把每座桥都恰好走一次。那位证明「办不到」的人,悄然发明了一整门新的数学。
核心想法
古老的普鲁士城市柯尼斯堡,坐落在一条河的两岸、又环抱着河中的一座岛,全由七座桥缝合在一起。当地流行的周日挑战,是穿城走一圈、把每座桥都走一次、且只走一次——任何一座都不许重复。没人走得通,却也没人说得清为什么。
莱昂哈德·欧拉——他那个时代最高产的数学家——意识到街道的布局根本无关紧要。要紧的只有一件事:每块陆地连着多少座桥。他证明:要让这趟散步可行,几乎每一块陆地都得连着偶数座桥——而柯尼斯堡的每一块,连的都是奇数座。于是散步不可能办到,而他无需离开书桌,就能把它证明出来。
它是如何诞生的
这道谜题大约在 1735 年传到欧拉手中,当时他正在圣彼得堡科学院。起初他觉得它配不上严肃的数学——是个谜语,而非定理。但解它,逼着他发明出一种思考方式:用他的话说,是位置要紧、而距离不要紧的问题——一门莱布尼茨命过名、却无人发展过的「位置几何」。
欧拉没有去试那成千上万条可能的路线,而是找到一条计数规则,一举判定了问题,并意识到:无论哪座城、有多少座桥,它都同样管用。他在 1735 年把它呈给科学院;论文于 1741 年印行。数学家们如今把图论的诞生,定在这篇论文。
它为何重要
欧拉表明:你可以把某件事「不可能」干净、确定地证明出来;而这证明,能丢开一个问题几乎所有具体的东西,只留下它连接的图样。这一手——抛掉距离与形状、去研究纯粹的结构——一下子开启了两门学科:图论,网络的数学;以及拓扑学,不靠测量的形状之数学。
一个可以想象的画面
想象一幅连点成形的图画,你想用一笔连续的笔画把它描完,既不抬笔、也不让任何一条线被重描两次。试一下,你会摸到那条规则:每一个你经过的点,都需要一进一出两条线——也就是偶数条线。只有起点和终点那两个点,才可以是奇数条线。如果有三个或更多的点是「奇数」,一笔就画不成。柯尼斯堡是四个奇数点——没指望。
它的位置
欧拉写下它时,正值一门关于结构的新数学破晓。同样的直觉——留住连接、丢开测量——后来长成了拓扑学,也长成他自己那条把任何立体的顶点、棱、面联系起来的公式 V − E + F = 2。今天每一个替你找路的地图软件、你叫得出名字的每一张网络,都是普鲁士小城里七座桥的远房后代。
§1 · 位置几何
The branch of geometry that deals with magnitudes has been zealously studied throughout the past, but there is another branch that has been almost unknown up to now; Leibniz spoke of it first, calling it the “geometry of position” (geometria situs).