Thursday, March 14, 2013

位置幾何 物體的相對位置和順序, 而與幾何量的大無小關

物
體的相對位置和順序, 而與幾何量的大

小無關

從

尤拉公式到空間的平面分割

宋

秉信

摘

要: 本文通過具體事例, 介紹拓樸學在初等數學中的應用。把歐拉定理引入初等幾何, 得到

定

理一。它為“直線分割平面問題”的求解提供一個模式。再將定理一縱向延伸, 也就是

將

布安加雷定理橫向延伸, 得到定理二。它為“平面分割空間問題”的求解提供了一個

模

式。

關

鍵詞: 頂點、面數、稜數、分割。

(

一)

1735
年夏天的一個晚上, 哥德巴赫

(Goldbach)
對歐拉(Euler, Leonhard)

說
: “在我的故鄉, 東普魯士的哥尼斯堡

(Konigsberg),
有條普雷格爾河(Pregl)。

它
分成兩叉流進城內, 然後在克內福弗島

(Kneiphof)
匯集。河面上有七座大橋, 把

克
內福弗島與兩岸城區相聯。島上有所古老

的
哥尼斯堡大學。每天傍晚時分, 大學生們都

喜
歡散步於這七座大橋之間”。說著哥德巴赫

在
紙上畫了張示意圖。(圖一)

圖
一

“
有一天, 有一個大學生和同伴們打賭:

看
誰能連著一次走遍這七座橋, 每座橋只准

走過一
次, 既不能重複也不准遺漏”。

“
這雖然是一個普通的玩笑, 但是它卻難

倒
了哥尼斯堡所有的人。連以博學著稱的哥

尼
斯堡大學的教授們也感到一籌莫展”。

“
故鄉的人們寫信找我, 要我幫助解決。

我想
你也許對這個問題會有興趣”。

歐
拉將信從頭到尾認真看了一遍。他認

為
這絕不是一個普通遊戲, 而是一個頗有價

值
的數學問題。在以後的思考中, 他首先想到

的是德
國大數學家萊布尼茲(Leibniz, Got-

tfriedWilhelm)
在1679年寫的「幾何特徵」

一
書。他在研究紮記中寫道: “古希臘研究的

幾
何學, 是研究幾何量(長度和角度) 大小及

其
測量方法的學科。萊布尼茲首先提出了幾

54


從

尤拉公式到空間的平面分割55

何學
的另一個分支, 即位置幾何學。這個分支

至
今還很少為人所知。它研究的對象只依賴

於物
體的相對位置和順序, 而與幾何量的大

小
無關”。根據這個思想, 他認為兩岸的陸地

和
河中的小島只是聯結橋樑的節點, 它們的

大小
與這個問題無關, 所以可以縮成四個點。

七
座橋是必須經過的路線, 且每條路只允許

走過一
次, 可抽象成七條線來表示。如圖二。

這
樣,

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A

B

C

D

6

5

7

2

4

1

3

(
圖二)

歐
拉把一個貌似複雜的實際問題抽象並簡化

成
圖二的形式, 即通過四個點, 七條線的“一

筆
畫”問題。而且歐拉從眾多人的失敗中想

到
, 這樣的走法可能根本就不存在。隨後, 他

用
MM 方法出色地證實了自己的猜想是正

確的
。並於1736年完成了題為「哥尼斯堡七

橋
問題」的著名論文。這篇論文奠定了數學的

一
個分支—「拓撲學」和「現代圖論」的基礎。

在
此基礎上歐拉又作出了一個重要貢獻, 這

就
是人所共知的“多面體公式”。

(

二)

歐
拉在研究任意的凸多面體時, 發現凸

多
面體頂點數、稜數與面數之間, 存在著以下

的
奇妙關係:

頂
點數V − 稜數E+ 面數F = 2。

這
便是拓樸學中著名的歐拉定理。其中

凸
多面體中的頂點數、稜數、面數的關係式:

V
− E + F = 2 被後人稱之為“歐拉示性

數
”。

我
們知道, 這裡所說的邊可以是彎曲的,

而
且都有兩個端點( 這兩個端點就是平面圖

的
頂點, 所謂邊就是兩個頂點之間的連線),

這
樣的圖有而且只有一個無限面。

我
們現在來研究另一種平面圖, 它是由

一
些直線構成的。我們把這種圖叫做直線網。

如圖
(三) 就是一個由五條直線構成的平面

圖。

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1

2 3

4

5

(
圖三)

定
義1: 在直線網中, 只有一個端點或沒有端

點
的邊叫做無限邊。邊界含無限邊的面叫做

無
限面。

由此
可見, 直線網中不只一個無限面。

如
果直線網中有兩條邊所在的直線相交, 那

麼該
直線網一定是連通的。不連通的只是那

些
由互相平行的直線構成的直線網。其頂點

數
一定是0, 面數比稜數多1。

定
理一: 如果是連通的直線網, 那麼有

V
− E + F = 1

56

數學傳播22卷3期民87年9月

其中
V 、E、F 分別為連通的直線網的頂點

數
, 邊數和面數。

證
明: 我們不妨用一個足夠大的圓把直

線
網中的所有頂點都圈在裡面。結果每條無

限
邊都必然會與圓有且只有一個交點。因此,

圓上
點的個數就是無限邊的條數, 用E′ 表

示
。而E′ 個點把圓分成E′ 段弧, 這些弧與

直
線網中的F′ 個無限面一一對應。於是有

E
′ = F′。抹掉直線網中所有的無限邊, 便得

到
一個拓樸學中的連通平面圖,其頂點數、邊

數
、面數分別為V 、E −E′、F −F′ +1, 由

歐
拉定理, 得

V
− (E − E′) + (F − F′ + 1) = 2,

即
V − E + F = 1。(證畢)

註
: (1) 對於不連通的直線網, 也有V −

E
+ F = 1, 這是一個很明顯的事實。

(2)
歐拉定理對於直線網不成立。定理

一
僅僅是將歐拉定理加以延伸。

如圖
四所示, 它是由7條直線構成的連

通
的直線網。其中V = 16, E = 41, F =

26,
則有V −E + F = 16− 41+ 26 = 1。

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1

2

3

4 5

6

7

(
圖四)

有
了定理一, 為我們求解“直線分割平

面
”問題提供了一個數學模型。

例
1: 平面上有n 條直線, 其中任何兩

條
不平行, 任何三條不過同一點, 證明這n 條

直
線把平面分成1

2

(n2 + n + 2) 個部分。

證
明: 因n 條直線中任何兩條不平行,

所
以知道在n 條直線中的任何一條都與另外

n
−1 條直線相交。故每條直線上都有n 條邊

和
n−1 個頂點, 其中每個頂點都是兩條直線

公共
的。由此可知, V = 1

2

n(n−1), E = n2,

由
定理一, 得

F
= E + 1 − V

=
n2 + 1 −

1

2

n
(n − 1)

=

1

2

n
2 +

1

2

n
+ 1

=

1

2

(
n2 + n + 2)。(證畢)

例
2: 平面上有n條拋物線, 其中每兩條

只
相交於兩個點, 並且每三條都不相交於同

一點
。求證這n 條拋物線把平面分成n2 +1

個
平面。

(
圖五)

證
明: 在拓撲學中對於直線與曲線被看

成是相
同的, 因為它們中的每一條都代表兩

點
之間的道路。如圖五中直線AB 與曲線

CD
。這樣一來, 我們可以把拋物線看作是直

從

尤拉公式到空間的平面分割57

線
。因為

V
=

1

2

n
(2n − 2) = n2 − n,

E
= n(2n − 1) = 2n2 − n。

根
據定理一, 得

F
= E − V + 1

= 2
n2 − n − (n2 − n) + 1

=
n2 + 1. (證畢)

例
3: n(n ≥ 3) 條直線將平面分割成多

少
塊? 試就下列情況加以解答:

i)
n 條直線中恰有p(p ≥ 2) 條互相平

行
, 此外沒有再相互平行的。而且n 條直線

中
沒有三條相交於同一個點;

ii)
n 條直線中恰有K(K ≥ 3) 條相交

於同一個點, 除這個交點外, 再沒有多於

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