NexTutor
Wirtualne laboratorium/Matematyka/Teoria grafów/Mosty królewieckie — narodziny teorii grafów
Wielkie odkrycie 1736 — Euler

Mosty królewieckie — narodziny teorii grafów

Rozszerzenie tematu teorii grafów. Graf to wierzchołki połączone krawędziami; stopień wierzchołka to liczba wychodzących z niego krawędzi. Ścieżkę przechodzącą przez każdą krawędź dokładnie raz (ścieżkę Eulera) da się poprowadzić tylko wtedy, gdy liczba wierzchołków o nieparzystym stopniu wynosi 0 lub 2. W XVIII-wiecznym Królewcu wszystkie 4 lądy miały nieparzysty stopień — Leonhard Euler w 1736 r. udowodnił, że przejście przez wszystkie 7 mostów dokładnie raz jest niemożliwe, zapoczątkowując teorię grafów (wielkie odkrycie, 1736).

Matematyka · Teoria grafów · Mosty królewieckie — narodziny teorii grafów (1736)
Wariant układu mostówOryginał (7)
Obejść wszystkie mosty dokładnie raz (bez powtórzeń) można wtedy, gdy liczba lądów o nieparzystej liczbie mostów wynosi:
mosty
7
lądy nieparzyste
4
suma stopni
14 = 2·7
werdykt
niemożliwe

Co się właśnie stało?

W XVIII-wiecznym Królewcu (dziś Kaliningrad) rzeka Pregoła dzieliła miasto na 4 części — dwa brzegi (A, B) i dwie wyspy (C, D — Kneiphof i sąsiednia wyspa) — połączone 7 mostami. Mieszkańcy zastanawiali się, czy da się przejść przez każdy most dokładnie raz. Leonhard Euler w 1736 r. udowodnił, że to niemożliwe — i przy okazji założył nową dziedzinę matematyki: teorię grafów.

Model: graf zamiast mapy

Euler zredukował mapę do grafu: lądy stają się wierzchołkami, a mosty — krawędziami. Liczbę mostów przy danym lądzie nazywamy stopniem wierzchołka:

deg(v)=liczba mostoˊw łączących się z lądem v\deg(v) = \text{liczba mostów łączących się z lądem } v

Każdy most ma dwa końce, więc suma wszystkich stopni to zawsze dwukrotność liczby mostów — to lemat o uściskach dłoni (handshaking lemma):

vdeg(v)=2E\sum_{v} \deg(v) = 2E

Twierdzenie Eulera

Trasę przechodzącą przez każdą krawędź dokładnie raz (drogę lub cykl Eulera) da się poprowadzić wtedy i tylko wtedy, gdy liczba wierzchołków o nieparzystym stopniu wynosi:

#{v:deg(v) nieparzysty}{0, 2}\#\{v : \deg(v) \text{ nieparzysty}\} \in \{0,\ 2\}

0 nieparzystych → istnieje cykl Eulera (start = koniec, w dowolnym wierzchołku). 2 nieparzyste → istnieje droga Eulera (musisz zacząć i skończyć dokładnie w tych dwóch wierzchołkach). Każda inna liczba nieparzystych — niemożliwe, bez wyjątków.

Dlaczego Królewiec się nie udał

W oryginalnym układzie wszystkie 4 lądy mają nieparzysty stopień (3, 3, 5, 3) — cztery nieparzyste, nie 0 ani 2. Dlatego żaden spacer po wszystkich 7 mostach bez powtórzeń nie istnieje — i to nie przez brak pomysłowości mieszkańców, tylko przez samą strukturę grafu. Wystarczy dobudować jeden most (np. A–B), by dwa z lądów zmieniły parzystość na parzystą i zostały dokładnie 2 nieparzyste — wtedy droga Eulera od razu się pojawia.

Co to znaczy w praktyce?

Ten sam warunek parzystości rządzi dziś trasami listonoszy i śmieciarek (problem chińskiego listonosza), projektowaniem obwodów drukowanych, sekwencjonowaniem DNA (składanie fragmentów w grafie de Bruijna) i planowaniem tras w sieciach — wszędzie tam, gdzie trzeba przejść każde połączenie dokładnie raz.

Po co Ci to na maturze:

Formalnie teoria grafów nie jest osobnym działem matury, ale rozumowanie Eulera to wzorcowy przykład dowodu przez niezmiennik — policz coś, co się nie zmienia (tu: parzystość stopni), i pokaż, że warunek zadania mu przeczy. Ten sam chwyt („uzasadnij, że nie da się…") pojawia się w zadaniach kombinatorycznych z rozszerzenia i w zadaniach olimpijskich.

Zapamiętaj: droga lub cykl Eulera istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy liczba wierzchołków o nieparzystym stopniu wynosi 0 (cykl) lub 2 (droga) — każda inna liczba oznacza, że to niemożliwe. To pierwszy wynik teorii grafów w historii matematyki.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

Co to jest stopień wierzchołka?

Liczba krawędzi (mostów) wychodzących z danego wierzchołka (lądu) w grafie.

Kiedy można przejść każdą krawędzią grafu dokładnie raz?

Tylko wtedy, gdy liczba wierzchołków o nieparzystym stopniu wynosi 0 lub 2.

Dlaczego mosty królewieckie były niemożliwe do przejścia?

Bo wszystkie 4 lądy w Królewcu miały nieparzysty stopień — więcej niż 2.