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萬萬沒想到,在數學家眼中,甜甜圈和咖啡杯竟然是同一種東西!

先來考一考大家的眼力。

你能不能認出這幾個字元中,哪兩個外形最相似呢?

你可能說這個還不簡單,字母B和數字8呀。

好,那看下面這個圖,這次呢?哪兩個最相似?

你又露出了鄙夷的一笑,還是很簡單,肯定是碗碗和杯子呀。

是什麼原因呢?杯子和碗都有一個底,而甜甜圈沒有?

好的好的,的確這樣說是沒有問題的,但是大家還記得我們曾學習的一篇課文嗎?事物的正確答案不止一個!

所以針對第二道題,我告訴大家一個驚人的事實:在數學家的眼中,杯子和甜甜圈才是最相似的!

要想理解這個答案,還要從一道有年頭的數學題說起,很多人可能早就聽過了,對,就是那道著名的七橋問題。

七橋問題是基於一個現實生活中的事例:當時東普魯士哥尼斯堡(今日俄羅斯加里寧格勒)市區跨普列戈利亞河兩岸,河中心有兩個小島。小島與河的兩岸有七條橋連接。問題是在所有橋都只能走一遍的前提下,如何才能把這個地方所有的橋都走遍?

現在大家都知道是不可能的,但是這個到底要怎麼證明呀?

七橋問題剛提出的時候,引得無數英雄競折腰,直到1736年,26歲的歐拉向聖彼得堡科學院遞交了《哥尼斯堡的七座橋》的論文,圓滿的解決了這個問題。

錯了錯了,放錯圖了,不是這個歐拉,是偉大的數學家歐拉。

來看看他是怎麼做到的,這是個相當天才的解決方法,相信對你看待事物的方式也會有所啟發。

如下圖所示,歐拉在面對這個問題的時候,忽略了橋的長度以及島和陸地的大小,將島和橋簡化成了平面上的點與線。

他怎麼可以這樣呢?其實稍微思考一下,這種簡化後的點線圖與七橋模型本質上是一模一樣的,因為橋的長度和島的大小對路線的選擇沒有絲毫影響!

別小看這種簡化,經過了這種簡化以後,我們的七橋問題也就等價轉換成了怎麼一筆畫出上述那個點線圖了。

不過雖然進行了簡化,但是我們的問題還沒有解決啊,歐拉大神潛心研究,最終不僅解決了七橋問題,還推而廣之,總結出了所有「一筆畫問題」的判定法則。

這個法則有點晦澀,就不展開說了,大家有興趣的自己查。

1847年,李斯亭將歐拉的才智進一步發展,而且引入了「拓撲」的概念,於是數學的一個新分支——拓撲學就此誕生了。

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拓撲學是一門透過現象看本質的學科,它主要研究空間內,在連續變化(如拉伸或彎曲,但不能撕開或黏合)下維持不變的性質。

現在說回到文章最前提到的兩個問題。

首先是第一個問題,為什麼B與8是相似的?

這一點大家和數學家不謀而合,不過大家考慮的可能是它倆都有兩個圈圈,而在數學家看來,B與8都可以在簡單的拉伸或彎曲下互相成為彼此。

把8摁在牆上就成為了B,而把B的那個點戳進去,它就變成了8。而B與8如何變化都不可能只成為只有一個圈的D。

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這個問題讓我想起了某一道變態小學數學題,據說博士生也沒答出來。

然後是第二道問題,杯子和甜甜圈為什麼是相似的?

因為足夠柔軟的甜甜圈可凹出一個杯底,中間的洞可以縮成一個手柄,而小碗無論如何拉伸或彎曲(注意不能黏連哦)都不能多出一個杯子的手柄的。

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哈哈,是不是很燒腦呢,下面再給大家一些圖,讓大家感受一下這個神奇的過程。

解開手環的橡膠人。

但是給他帶了一個手錶就不行了。

啊啊,反正我的腦子已經不夠用了,繼續學習《幾何原本》、《時間簡史》去了,大家再見。

好吧,我又來了,最後再給大家科普一個小知識,莫比烏斯環也是拓撲學研究的一個結構,人們甚至有望從中找到穿越時空的解法。因為莫比烏斯環的性質,就像空間中的蟲洞(wormhole)。你在莫比烏斯環上走半圈,才能到達的地方,其實就在你的背面。

也就是說,如果你穿過了蟲洞,你就能瞬間到達宇宙中其他的地方。


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