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中國郵差問題 (Chinese Postman Problem)

        不幸的是,並非每一個圖或每一個街道圖都存在尤拉迴圈。前述的街道圖,藍點的秩皆為奇數,所以此圖沒有尤拉迴圈:

然而信還是得送,如何才能有效率的完成這件事?顯然有幾條街非得走不只一次才行;為了節省時間,我們當然希望這些重覆走的街道長度愈短愈好。我們先考慮一個比較簡單的情況,假設每一條街道的長度都一樣長,那麼剛剛的問題就變成重覆走過的邊數愈少愈好。這一類的問題最先是由華裔數學家管梅谷所提出,因此被稱為“中國郵差問題” 

        解決中國郵差問題的方法即是將一個圖尤拉化eulerizing):

所謂將一個圖尤拉化是在圖中加上一些邊,使得新圖中會存在尤拉迴圈。對應於實際問題,這些加上的邊是指重覆走的邊,因此若想在兩點間加上一條邊,必須是這兩點間原本就有的邊才行。

        如何將一個圖尤拉化呢?從尤拉的定理得知,我們需要找出秩為奇數的點。這樣的點一定為偶數個,因為所有點的秩的和一定是偶數(所有點的秩的和是所有邊數的兩倍)。我們找出這些點之後,將它們兩兩分組,然後在同一組中的兩點間加一條路徑連接它們,而這路徑必須是沿著圖中原本就有的邊走,而且當然經過的邊是愈少愈好,如下圖:

        然而如何找到最好的尤拉化,也就是如何加最少的邊產生一個尤拉圖更是一道難題。有系統地尋找最佳尤拉化的方法的確存在,但是相當複雜,而這一類的問題其實和圖論中的配對問題是相關的。在這裡,我們就舉個例子來作解釋:

        剛剛我們也提到奇數秩的點必須是偶數個(如上圖有A, B, C, D四點),所以可以兩兩成對;而且因為是連通圖,因此這些點中的任何一對都存在路徑相連。接著,對於任意一對點,我們必須找出這兩點間的一條最短路徑。下面兩個圖都在A, B兩點間加了一條路徑,當然還有很多其他的走法,但是顯而易見地,右圖中的路徑是A, B間的最短路徑。

最後就剩下如何將這些點適當的配對以得到一組路徑,使得這些路徑的長度總和為最短。如圖,不論是分成A, BC, D兩對,或是分成A, CB, D兩對,增加的路徑長度總和都為6條邊。

但是若分成A, CB, D這兩對,增加的路徑長度總和就變成12條邊。

因此,此圖最佳的尤拉化應是上面那兩個圖。

 

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