七歲兒童的數學:圖形著色,色彩數,歐拉路徑和歐拉環

2021-02-08 算法愛好者
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英文:Joel David Hamkins

譯者:伯樂在線 - 奔跑 

連結:http://blog.jobbole.com/71701/


今天作為女兒二年級教室裡的客人,教室裡都是熱愛數學的七八歲女孩子,我做了一個數學調查,關於圖形著色、色彩數、地圖著色、歐拉路徑和環。我帶了一大堆準備好的例圖,所有的女孩們做了她們自己的圖片和地圖來相互挑戰。最後每個孩子都編制了一個包含他們探索結果的數學「彩色書」。讓我來說一說我們所做的。

 


我們從頂點著色開始,給圖形的每個頂點塗上不同的顏色。我們從一些簡單的例子開始,然後是會讓她們犯難的複雜些的圖形。


 

目標是用最少的顏色種類,圖形的色彩數是能夠滿足著色的最少顏色個數。小姑娘們給圖形著色,並數出他們使用的顏色個數,我們還針對圖形進行分組討論,為什麼她需要用到這些顏色。


接下來,小姑娘們兩人一組,一人創作一個有挑戰性的圖形,由她的搭檔來著色,然後互換角色。



地圖著色,讓地圖上的每個國家有不同的顏色,當然這和圖形著色是很接近的。



小姑娘們創造了他們自己的地圖來相互挑戰,然後著手給這些地圖著色。我們討論了這個值得注意的事實:四種顏色就能給任何地圖著色。



接著,我們考慮歐拉路徑和環,在這種特殊的圖形中一筆即可畫下所有的邊,並且每條邊只經過一次。我們從一些簡單的例子開始,然後考慮一些複雜點的情況。



歐拉環在同一個頂點開始並結束,而歐拉路徑則在一個頂點開始,在另一個頂點結束。



我們討論了有些圖形沒有歐拉路徑和環這一事實。如果有歐拉環,每次到達一個頂點後離開這個頂點時就會從一條新的邊經過,因此每個頂點一定有偶數個邊。對於歐拉路徑,如果起點和終點不同,則起點和終點有奇數條邊,同時其他的頂點都有偶數條邊。


值得注意的是,在有限連通圖中,上面的必要條件也是充分條件。這可以通過建立歐拉路徑和環來證明(起點和終點是兩個奇數度的節點);每次到達一個新的頂點,就可以從另一個邊離開,因此不會被卡住。如果缺少某些邊(有些邊沒有),簡單的插入合適的路線來解決,這樣它會像期望的單個歐拉路徑或環一樣。(不過我們沒有在二年級的課堂上過多的討論這個證明。)



同時,這是個討論柯尼斯堡的七座橋梁的絕好機會。能否只穿過每座橋一次就遊覽整個城市?


最後的收穫是:一本關於有趣圖形的小冊子。



這一天的高潮出現在我們給圖形著色的過程中,一個小姑娘走到我面前,說:「我想要成為數學家!」真讓人高興!


安德烈 鮑爾幫我作了一套沒有著色的原始圖形(也可以在Google+上找到),如果想製作自己的小冊子這份資料就可以派上用場。把他們列印出來,兩面都列印(注意正確的方向),摺疊起來做成一個小冊子;可以用幾個回形針來裝訂。


可以在 MathOverflow 上看到涉及製作難以著色的地圖和圖形的計算難度的問題,這些是針對成年人的。


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