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正是七桥问题和其他类似性质的问题,使Euler和他那个时代的其他数学家开始认识到:存在着某种新的几何性质,它们和欧氏几何中研究的几何性质完全不同.这种认识是拓扑学产生的背景.
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地图着色问题
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给地图着色时,要把相邻的国家(或区域)着上不同的颜色,以便容易地加以区分.那么绘图员至少要准备多少种颜色才能给任何地图着色?这个问题看起来简单,却出人意料地难以解决.图3中的地图虽只有四个区域,却是两两相邻的,因此它需用4种颜色着色.这个例子说明上述问题的答案应不小于4.数学家明确提出这个问题不很久,证明了有5种颜色是够用的.于是问题集中到“4种颜色够不够?”上,就出现了著名的“四色问题”.它从1852年由F. Guthrie提出后,直到本世纪七十年代才借助计算机得到肯定性的解答.
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图3
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地图着色问题同一笔画问题一样,也具有“拓扑”特性:它与度量(区域的面积、边界线的长度等)和形状都没有关系,关键是区域的个数和它们的邻接关系;地图经过变形(缩放或作各种投影)所需颜色数不变.
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Euler多面体定理
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这是立体几何中的一个有名的定理:凸多面体的面数f,棱数l和顶点数v满足Euler公式
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f-l+v=2.
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表面上看,似乎它和一笔画、地图着色问题不一样,凸多面体是平直图形,不能随意变形.但只要对Euler多面体定理稍加推广,就可看出它的“拓扑”特性了.
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图4
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把多面体放进一个大球体内,使球心在多面体内部.于是,从球心作的中心投影把凸多面体的棱映射成球面上的曲线(实际上是大圆弧),顶点映成球面上的点.这些点和大圆弧构成球面上的一个图(网络)(图4),它把球面分割成f块,有l条枝(大圆弧)和v个节点.
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一般地,球面上的图是由球面上有限个点(称为节点)和有限条曲线(称为枝)所构成的图形,它必须满足:
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(1)每条枝的端点是两个不同节点;
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(2)不同的枝不交叉,即不相交于内点;
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(3)每条枝不自交.
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Euler定理可以推广为
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定理1 球面上一个连通的图的节点数v,枝数l以及它分割球面所成的面块数f满足公式
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f-l+v=2.
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这种推广了的Euler定理具有拓扑特性:一方面,当图在球面上变形时,f,l和v这3个数不会变化;另一方面,当球面本身变形时(其上图也随着变形)f,l和v也不会变化.球面可以变形为椭球面、葫芦形或其他各种形状的曲面,对这些曲面定理l照样成立.但有的曲面不能由球面变形而得到,例如环面.事实上定理1对环面不适用,相应的定理为
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定理2 环面上一个连通图若分割环面成一些简单面块(即没有洞的面块),则面块数f,图的枝数l和节点数v满足公式
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f-l+v=0.
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对于更复杂一些的曲面,f-l+v是个负数.以上的事实说明整数f-l+v与曲面上(适合条件的)图的选择无关,完全由曲面本身决定.这个数被称为曲面的Euler数,它反映出曲面的一种几何性质,当曲面被变形时,它是不会改变的.
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