三年級奧數(shù)專題：一筆畫

三年級奧數(shù)專題：一筆畫(一)如果一個圖形可以用筆在紙上連續(xù)不斷而且不重復(fù)地一筆畫成，那么這個圖形就叫一筆畫。顯然，在下面的圖形中，(1)(2)不能一筆畫成，故不是一筆畫，(3)(4)可以一筆畫成，是一筆畫。同學(xué)們可能會問：為什么有的圖形能一筆畫成，有的圖形卻不能一筆畫成呢？一筆畫圖形有哪些特點？關(guān)于這個問題有一個著名的數(shù)學(xué)故事——哥尼斯堡七橋問題。哥尼斯堡是立陶宛共和國的一座城市，布勒格爾河從城中穿過，河中有兩個島，18世紀(jì)時河上共有七座橋連接A，B兩個島以及河的兩岸C，D(如下圖)。所謂七橋問題就是：一個散步者要一次走遍這七座橋，每座橋只走一次，怎樣走才能成功？當(dāng)時的許多人都熱衷于解決七橋問題，但是都沒成功。后來，這個問題引起了大數(shù)學(xué)家歐拉(1707-1783)的興趣，許多人的不成功促使歐拉從反面來思考問題：是否根本就不存在這樣一條路線呢？經(jīng)過認(rèn)真研究，歐拉終于在1736年圓滿地解決了七橋問題，并發(fā)現(xiàn)了一筆畫原理。歐拉是怎樣解決七橋問題的呢？因為島的大小，橋的長短都與問題無關(guān)，所以歐拉把A，B兩島以及陸地C，D用點表示，橋用線表示，那么七橋問題就變?yōu)橛覉D是否可以一筆畫的問題了。我們把一個圖形上與偶數(shù)條線相連的點叫做偶點，與奇數(shù)條線相連的點叫做奇點。如下圖中，A，B，C，E，F(xiàn)，G，I是偶點，D，H，J，O是奇點。歐拉的一筆畫原理是：(1)一筆畫必須是連通的(圖形的各部分之間連接在一起)；(2)沒有奇點的連通圖形是一筆畫，畫時可以以任一偶點為起點，最后仍回到這點；(3)只有兩個奇點的連通圖形是一筆畫，畫時必須以一個奇點為起點，以另一個奇點為終點；(4)奇點個數(shù)超過兩個的圖形不是一筆畫。利用一筆畫原理，七橋問題很容易解決。因為圖中A，B，C，D都是奇點，有四個奇點的圖形不是一筆畫，所以一個散步者不可能不重復(fù)地一次走遍這七座橋。順便補(bǔ)充兩點：(1)一個圖形的奇點數(shù)目一定是偶數(shù)。因為圖形中的每條線都有兩個端點，所以圖形中所有端點的總數(shù)必然是偶數(shù)。如果一個圖形中奇點的數(shù)目是奇數(shù)，那么這個圖形中與奇點相連接的端點數(shù)之和是奇數(shù)(奇數(shù)個奇數(shù)之和是奇數(shù))，與偶點相連的線的端點數(shù)之和是偶數(shù)(任意個偶數(shù)之和是偶數(shù))，于是得到所有端點的總數(shù)是奇數(shù)，這與前面的結(jié)論矛盾。所以一個圖形的奇點數(shù)目一定是偶數(shù)。(2)有K個奇點的圖形要K÷2筆才能畫成。例如：下頁左上圖中的房子共有B，E，F(xiàn)，G，I，J六個奇點，所以不是一筆畫。如果我們將其中的兩個奇點間的連線去掉一條，那么這兩個奇點都變成了偶點，如果能去掉兩條這樣的連線，使圖中的六個奇點變成兩個，那么新圖形就是一筆畫了。將線段GF和BJ去掉，剩下I和E兩個奇點(見右下圖)，這個圖形是一筆畫，再添上線段GF和BJ，共需三筆，即(6÷2)筆畫成。一個K(K＞1)筆畫最少要添加幾條連線才能變成一筆畫呢？我們知道K筆畫有2K個奇點，如果在任意兩個奇點之間添加一條連線，那么這兩個奇點同時變成了偶點。如左下圖中的B，C兩個奇點在右下圖中都變成了偶點。所以只要在K筆畫的2K個奇點間添加(K-1)筆就可以使奇點數(shù)目減少為2個，從而變成一筆畫。到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)學(xué)會了如何判斷一筆畫和多筆畫，以及怎樣添加連線將多筆畫變成一筆畫。練習(xí)281.下列圖形分別是幾筆畫？怎樣畫？2.能否用剪刀從左下圖中一次連續(xù)剪下三個正方形和兩個三角形？3.從A點出發(fā)，走遍右上圖中所有的線段，再回到A點，怎樣走才能使重復(fù)走的路程最短？4.如下圖所示，兩條河流的交匯處有兩個島，有七座橋連接這兩個島及河岸。問：一個散步者能否一次不重復(fù)地走遍這七座橋？答案與提示練習(xí)281.(1)(3)是一筆畫，(2)是兩筆畫。2.能，因為是一筆畫。3.見右圖，走法不唯一。4.能。例如下圖的走法。第29講一筆畫(二)利用一筆畫原理，我們可以解決許多有趣的實際問題。例1右圖是某展覽館的平面圖，一個參觀者能否不重復(fù)地穿過每一扇門？如果不能，請說明理由。如果能，應(yīng)從哪開始走？分析與解：我們將每個展室看成一個點，室外看成點E，將每扇門看成一條線段，兩個展室間有門相通表示兩個點間有線段相連，于是得到右圖。能否不重復(fù)地穿過每扇門的問題，變?yōu)橛覉D是否一筆畫問題。右圖中只有A，D兩個奇點，是一筆畫，所以答案是肯定的，應(yīng)該從A或D展室開始走。例1的關(guān)鍵是如何把一個實際問題變?yōu)榕袛嗍欠褚还P畫問題，就像歐拉在解決哥尼斯堡七橋問題時做的那樣。例2一個郵遞員投遞信件要走的街道如下頁左上圖所示，圖中的數(shù)字表示各條街道的千米數(shù)，他從郵局出發(fā)，要走遍各街道，最后回到郵局。怎樣走才能使所走的行程最短？全程多少千米？分析與解：圖中共有8個奇點，必須在8個奇點間添加4條線，才能消除所有奇點，成為能從郵局出發(fā)最后返回郵局的一筆畫。在距離最近的兩個奇點間添加一條連線，如左上圖中虛線所示，共添加4條連線，這4條連線表示要重復(fù)走的路，顯然，這樣重復(fù)走的路程最短，全程30千米。走法參考右上圖(走法不唯一)。例3右圖中每個小正方形的邊長都是100米。小明沿線段從A點到B點，不許走重復(fù)路，他最多能走多少米？分析與解：這道題大多數(shù)同學(xué)都采用試畫的方法，實際上可以用一筆畫原理求解。首先，圖中有8個奇點，在8個奇點之間至少要去掉4條線段，才能使這8個奇點變成偶點；其次，從A點出發(fā)到B點，A，B兩點必須是奇點，現(xiàn)在A，B都是偶點，必須在與A，B連接的線段中各去掉1條線段，使A，B成為奇點。所以至少要去掉6條線段，也就是最多能走1800米，走法如下頁上圖?；蚶?與例3的圖中各有8個奇點，都是通過減少奇點個數(shù)，將多筆畫變成一筆畫的問題，但它們采用的方法卻完全不同。因為例2中只要求走遍所有的線段，沒有要求不能重復(fù)，所以通過添加線段的方法(實際是重復(fù)走添加線段的這段路)，將奇點變?yōu)榕键c，使多筆畫變成一筆畫。而在例3中，要求不能走重復(fù)的路，所以不能添加線段，只能通過減少線段的方法，將奇點變?yōu)榕键c，使多筆畫變成一筆畫。區(qū)別就在于能否重復(fù)走！能“重復(fù)”就“添線”，不能“重復(fù)”就“減線”。例4在六面體的頂點B和E處各有一只螞蟻(見右圖)，它們比賽看誰能爬過所有的棱線，最終到達(dá)終點D。已知它們的爬速相同，哪只螞蟻能獲勝？分析與解：許多同學(xué)看不出這是一筆畫問題，但利用一筆畫的知識，能非常巧妙地解答這道題。這道題只要求爬過所有的棱，沒要求不能重復(fù)?？墒莾芍晃浵伵浪傧嗤?，如果一只不重復(fù)地爬遍所有的棱，而另一只必須重復(fù)爬某些棱，那么前一只螞蟻爬的路程短，自然先到達(dá)D點，因而獲勝。問題變?yōu)閺腂到D與從E到D哪個是一筆畫問題。圖中只有E，D兩個奇點，所以從E到D可以一筆畫出，而從B到D卻不能，因此E點的螞蟻獲勝。練習(xí)291.郵遞員要從郵局出發(fā)，走遍左下圖(單位：千米)中所有街道，最后回到郵局，怎樣走路程最短？全程多少千米？2.有一個郵局，負(fù)責(zé)21個村莊的投遞工作，右上圖中的點表示村莊，線段表示道路。郵遞員從郵局出發(fā)，怎樣才能不重復(fù)地經(jīng)過每一個村莊，最后回到郵局？3.一只木箱的長、寬、