你以为是在走路,其实是在做图论
能不能设计一条路线,把每一座桥都恰好走一次,而且不重复?
来试试这个小游戏 吧。300 年前,正是这样一个看似简单的问题,催生了现代数学中的一个重要分支:图论(Graph Theory)。
普鲁士小城里的七座桥
18 世纪,在普鲁士的柯尼斯堡(今天俄罗斯的加里宁格勒),有一条河把城市分成了四块陆地。这四块陆地之间,由 7 座桥连接。那么有没有可能从任意地方出发,走遍所有 7 座桥,而且每座桥只经过一次?
很多人试了很久。有人觉得一定有办法;有人则怀疑这是不可能的。
直到数学家欧拉(Leonhard Euler)出手。
欧拉不是去研究地图。河有多宽,不重要。桥有多长,不重要。街道怎么弯弯绕绕,也不重要。重要的只有
- 哪些陆地彼此连接
- 哪些桥连接了它们
于是欧拉做了一件极具数学家风格的事,他把整座城市简化成了几个点和几条线。用点代表陆地,用线代表桥。地图瞬间从现实世界变成了一张抽象图形。问题不再是如何在城市里散步,而变成
能不能一笔画完所有线,而且每条线只画一次?
这一步,看似简单,却是数学史上的一次巨大飞跃。以后人们发现很多看起来完全不同的问题,其实都可以转化成点和线的关系。图论(Graph Theory)由此诞生。
这和你我有什么关系?
图论已经成为现代世界的重要基础。例如:
- 导航软件如何寻找路线
- 快递员如何规划送货顺序
- 地铁网络如何设计
- 社交网络如何推荐好友
- 电脑芯片上的线路如何连接
- 搜索引擎如何理解网页之间的关系
Google、GPS、互联网、甚至人工智能,本质上都离不开图论。当你打开地图导航时,地点是点,道路是线;当你刷社交媒体时,用户是点,关注关系是线;当搜索引擎分析网页时,网页是点,超链接是线。
而这一切,竟然是从“七座桥怎么走”开始的。
四色猜想
七桥问题催生了图论。而四色猜想,则是图论中最著名、最传奇的问题之一。
试试用最少的颜色来给一张美国地图上色 。规则很简单:任何两个相邻的地区,颜色都不能一样。
问题来了:无论地图多复杂,最少需要多少种颜色?
数学家们研究了一个多世纪,最后得到的答案竟然是:
四种颜色永远够用
这就是著名的“四色猜想”。
很多数学题的魅力来自计算。七桥问题则完全不同,它不需要计算,任何人都能参与。
这也是数学最神奇的地方。它并不总是在研究数字。它更擅长寻找隐藏在复杂世界背后的结构。当你找到那个结构时,一个看似无解甚至无关的问题,往往会突然变得清晰起来。
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