公元641年(贞观14年),吐蕃国国王松赞干布,派使臣到长安向当时的皇帝唐太宗请求联姻。唐王是个十分精细的人,他认为汉、藏联姻对于睦邻边疆是件好事,但必须考一考辅佐藏王的使臣的智慧,于是便出了几道难题要求使者回答。没想到使者对所提问题对答如流,竟使太宗皇帝深感满意,毅然决定举行最后一场测试。
一天晚上,唐王在宫中宴请使者。宴后突然提出要求,让使者自行出宫。而此时此刻的宫室是经过特殊布置了的,四处道路扑朔迷离!唐王想看一看,藏王的使臣在醉酒的情况下是否仍然具备智慧,以摆脱眼下四处碰壁的困境。
不料,使者聪明过人,当他进宫的时候,便已留心观察四周环境,做下记号。出宫时,居然未经多大周折,便就顺利步出宫门!
吐蕃的使者终于以自己的才智赢得了唐王的信赖,并答应把美丽而贤惠的文成公主嫁给藏王,为我国民族团结的史诗谱写了可歌的一章。
上面故事中,唐王的最后一道试题,实际上是一种迷宫。古往今来,迷宫被很多人所津津乐道,并被看成是聪明和智慧的象征!
在《三国演义》中有这样一则故事,大意是:东吴大将陆逊被诸葛亮八卦阵困于江边,但见怪石嵯峨,槎木牙似剑,横沙立土,重叠如山,无路可出。实在写得神乎其神!想来那也不过是一种用巨石垒成的迷宫罢了。
国外的迷宫更是常见。左图(Ⅰ),宛如人的指纹,那是南非出土的,祖鲁族人的迷宫;图(Ⅱ)是希腊克里特岛出土的货币,币上的迷宫清晰可辨!图(Ⅲ)是意大利出土的酒瓶迷宫,图案古朴优美,使人看去别有一番情趣;图(Ⅳ)是在庞贝城遗址发现的。庞贝城曾是古罗马相当繁荣的一座城市,约建于公元前七世纪。公元79年8月,邻近的维苏威火山爆发,致使全城惨遭湮没。自18世纪中叶起,考古学家开始断断续续地发掘庞贝遗迹,使火山灰下的庞贝城,得以重见天日!左图(Ⅳ)的迷宫,就是在那以后找到的。
下面是英国伦敦的Hampton court迷阵实图。
图中A为进出口,黑线表示篱笆,白的空隙表示通路。迷阵的中央Q处有两根高柱,柱下备有椅子,可供游人休息。读者可别以为这一迷阵并不复杂,倘若身临其境,也难免要东西碰壁,左右受阻,陷于迷津!
那么,迷宫之“谜”的谜底何在呢?让我们仍举Hampton court迷阵为例。如同上节中七桥问题那样,我们把该迷阵中所有的通路都用弧线予以表示,便能得到左图那样的脉络。
现在的问题是:如何从A点出发走到迷宫的中心Q;或从Q点回到入口处A?只是,从A到Q的通路,并不像左图那么笔直,实际上是弯弯曲曲回回转转的。走的时候,稍不小心便会进入死胡同,或者在某范围打转转,甚至于走回头路!
不过,有一种情况似乎例外,即迷宫的网络可以由“一笔画”沟通。这时只要不走重复的路,就一定能顺利走出迷宫!这无疑等于解决了迷宫问题。然而,倘若迷宫真是如同上述那样,其本身也就失去了“迷”的含义。
现实的迷宫往往要复杂很多。以Hampton迷阵为例,它的脉络中除F点外,几乎全是奇点。因而,不要说一笔画,即使五、六笔画也难以沟通整个脉络!
然而,我们并没有因此而“山穷水尽”。因为任何一个脉络都可以通过在奇点间添加弧线的办法,使它变成“一笔画”的图形。这是由于在奇点间添加一条弧线,可以一下子使脉络的奇点个数减少两个!
上图是把Hampton迷阵脉络的奇点两两连接起来,所得新脉络的奇点已经只剩两个,因而可以用一笔画画出。(www.xing528.com)
上述方法表明:要想走出迷宫,只须在岔道口做上记号,并对某些线路作必要的重复。这样,纵然我们多走了些路,却能稳当地走出迷宫!猜想当初聪明的吐蕃使者,大约就是这样做的!
最后我们似乎还须补充一点:即网络的奇点必定成双。这是图论中最早的一个定理,也是由欧拉发现的。
证明很简单:我们可以设想如同下图那样,拆去原来网络中的某条弧线。这样一来,要么奇点增加两个,偶点减少两个;要么偶点增加两个,奇点减少两个;要么奇偶点不增也不减,除此之外别无第四种可能!所有上述情形,网络奇点数目的奇偶性都不会改变。如此这般,我们可以把网络中的弧线一条又一条地拆去,直至最后只剩下一条弧线为止。这时奇点数目明显为2,从而推出原网络的奇点数目一定为偶数。
上述证明很容易使人想起以下有趣的魔术游戏:
你背过身去,请人随心所欲地把平放在桌面上的硬币一对一对地翻转,然后再请他用手盖住其中的一枚。接着你转回身去,瞧一瞧桌上其他的硬币,便可立即准确地说出他掌下硬币的正面是朝上还是朝下!
这似乎有点神奇。其实,只要你一开头就把桌面上硬币中正面朝上的数目的奇偶性记住,那么,当人们一对对翻动硬币的时候,这种数目的奇偶性是不会改变的。因此,在你转回身的时候,只要重新数一下,有多少枚硬币正面朝上,便能准确地断定出那人掌下硬币的朝向。
对于喜欢代数的读者,了解一下这一最早图论定理的代数证明,是不无裨益的。
令a为网络的弧线数,n为顶点数,ak为有k条分枝的顶点数。注意到每条弧线都有两个端点,于是有:
2α=α1+2α2+3α3+…+kαk+…
上式右端显然是一个偶数。现将其减去另一个偶数
2(α2+α3)+4(α4+α5)+6(α6+α7)+…
必得又一个偶数
α1+α3+α5+α7+…
这恰是所有奇点的数目,从而证明了网络的奇点个数必然成双!
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