普鲁士的柯尼斯堡(今俄罗斯加里宁格勒)被普列戈利亚河分成四块陆地,之间架着七座桥。市民们赌着一件事:能不能从某块陆地出发,把七座桥一座不漏、且每座只走一次地走完?据说有人真的拿脚步丈量过很多遍,没人成功。
1736 年,在圣彼得堡科学院任职的欧拉(Leonhard Euler)给这个问题一个彻底的答案:不能。他并没有真去走一遍,而是把四块陆地缩成四个「点」、七座桥缩成七条「线」——地图被抽成了图。这一步抽象,本身就是数学史上的大事。
欧拉的论文标题是 «Solutio problematis ad geometriam situs pertinentis»(《与位置几何有关的一个问题的解》,1736)。他特意强调:这里重要的不是桥的长短、曲直,而是它们怎么连——连接关系本身才是关键。
「位置几何」(geometria situs)这个说法,可追溯到莱布尼茨的一个设想。欧拉这篇文章被公认为图论与拓扑学的开端:他第一次系统地研究「点与连线」的抽象结构。
把每块陆地连的桥数记为该点的度数;度数为奇数的点叫奇点。欧拉的结论可以写成一句话:
道理很直观:走一笔画时,除了起点和终点,每「进」一个点必再「出」一次,进出的边成对消耗,所以这些点的度数必为偶数。只有起点、终点可以是「只出不进 / 只进不出」,最多留 2 个奇点。柯尼斯堡四块陆地的桥数分别是 5、3、3、3——四个奇点,所以走不完。
近一个世纪后,爱尔兰数学家汉密尔顿(William Rowan Hamilton)在 1857 年发明了「Icosian Game(二十面体游戏)」:要求沿着正十二面体(它的骨架是正二十面体的对偶)的棱走一圈,每个顶点恰好经过一次,最后回到起点。他后来还为此申请了专利,卖给了一个玩具商。
「每条边恰好一次」是欧拉问题,「每个点恰好一次」是汉密尔顿问题。后者看起来只差一个字,却难得多——至今没有像奇点数那样简洁的判据,它正是著名的 NP 完全问题。
欧拉解决七桥问题的手段,比结论本身更重要:把与问题无关的细节全部丢掉,只留下「谁和谁相连」。这正是现代数学的核心动作。由它长出的东西多得惊人——地图染色、网络路由、社交网络、电路设计、DNA 测序、物流调度,背后都是同一套「点与边」的语言。
今天的城市里,你也可以自己造桥、拆桥,看看什么时候这张图刚好「一笔画得完」。去「造桥」页试试:柯尼斯堡那 4 个奇点,加几座桥才能救活?