В 1639 г. Декарт отметил любопытную черту нумерологии правильных тел. Взять, к примеру, куб. Это 6 граней, 12 ребер и 8 вершин. Сложите 8 и 6, и вы получите 14, на 2 больше, чем 12. А как насчет додекаэдра? У него 12 граней, 30 ребер и 20 вершин. И 12 + 20 = 32, что на 2 больше 30. То же повторяется у тетраэдра, октаэдра и икосаэдра. Та же особенность, судя по всему, присуща практически всем многогранникам. Если тело имеет F граней, Е ребер и V вершин, то F + V = E + 2, что можно переписать как
F – E + V = 2.
Декарт не опубликовал свое открытие, но записал его в своем манускрипте, прочитанном Лейбницем в 1675 г.
Эйлер первым опубликовал это соотношение в 1750 г. Он добавил доказательство в 1751 г. Его увлекли эти взаимоотношения, потому что он пытался разработать классификацию многогранников. В работе над классификацией ученому приходится учитывать любое общее свойство предметов, подобное этому.
Многогранник с отверстием
Существует ли формула, верная для всех многогранников? Не совсем так. Если наш многогранник имеет форму рамы для картины, с квадратным поперечным сечением и прямыми углами, то у него 16 граней, 32 ребра и 16 вершин, т. е. здесь F + V – E = 0. Причиной такого несоответствия оказывается наличие отверстия. Фактически если многогранник имеет g отверстий, то
Что же это – отверстие? Ответ найти труднее, чем кажется. Во-первых, речь идет о поверхности многогранника, а не о его сплошном внутреннем пространстве. В реальной жизни для того, чтобы сделать отверстие в чем-либо, мы внедряемся в его твердую сплошную внутренность, но приведенные выше формулы не имеют отношения к ней – только к граням, образующим его поверхность, заодно с их ребрами и вершинами. Всё, с чем мы имеем дело, лежит на поверхности. Во-вторых, единственный вид отверстий, влияющий на численные данные, – те, что пронзают тело насквозь, образуя туннель с двумя концами. Проще говоря, это не такое отверстие, которое может вырыть рабочий на дороге. В-третьих, такие отверстия могут не быть на поверхности, хотя отчасти именно поверхности очерчивают их. Отверстие существует только в качестве пустого места в бублике, но даже в этом случае вы покупаете твердую внутренность бублика.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО КОШИ ДЛЯ ФОРМУЛЫ ДЕКАРТА – ЭЙЛЕРА
Удалим одну грань и растянем поверхность тела на плоскости. Это уменьшит F на 1, т. е. теперь мы доказываем, что в результате плоская конфигурация для ребер, линий и точек удовлетворяет формуле F – E + V = 1. Чтобы этого достичь, сначала преобразуем все грани в треугольники, начертив, если надо, добавочные диагонали. Каждая из новых диагоналей оставит V неизменной, но увеличит и E, и F на 1, так что F – E + V не изменится. Теперь начнем удалять ребра начиная с наружных. Каждое из удалений уменьшает и F, и E, так что F – E + V cнова останется тем же. Когда вы закончите с удалением плоскостей, у вас останутся в случае тетраэдра три ребра и три вершины не имеющие замкнутых контуров. Одну за другой удалим крайние вершины заодно с ребрами, подходящими к ним. Теперь и E, и F уменьшатся на 1, и cнова F – E + V остается таким же. Этот процесс остановится только на последней вершине. Теперь F = 0, E = 0 и V = 1, так что F – E + V = 1, что и требовалось доказать.
Пример доказательства Коши
Наверное, проще исходить из определения, что значит «не отверстие». Многогранник не имеет отверстий, если его можно непрерывно деформировать, получая искривленные грани и ребра, пока он (вернее, его поверхность) не превратится в сферу. Для таких поверхностей F + V – E на самом деле всегда будет равно 2. И обратное утверждение верно: если F + V – E = 2, многогранник можно деформировать в сферу.
Непохоже, что многогранник в виде рамы для картины можно деформировать в сферу, – куда же денется отверстие? Для строгого доказательства этого мы не должны заглядывать дальше того факта, что для этого многогранника F + V – E = 0. Такое соотношение невозможно для поверхностей, способных деформироваться в сферу. Итак, числа многогранников описывают для нас важные особенности их геометрии, и последние могут быть топологическими инвариантами – неизменными при деформациях.
Сейчас формула Эйлера кажется нам замечательным намеком на очень полезную связь между комбинаторными аспектами многогранника, такими как количество граней, и его топологическими аспектами. Получается, что проще двигаться в обратном направлении.
Чтобы вычислить количество отверстий на поверхности, возьмем F + V – E – 2, разделим на 2 и изменим знак:
Курьезный вывод: теперь мы можем вычислить количество отверстий в многограннике, не давая определения отверстия.
Преимущество такой процедуры в том, что она естественна для многогранника, не требует визуального контакта с ним в окружающем трехмерном пространстве – того, как видят отверстие наши глаза. Необычайно разумный муравей, обитающий на поверхности многогранника, может решить, что там есть какое-то отверстие, даже если видит только поверхность. Эта естественная точка зрения присуща топологии. Она изучает форму предметов как таковую, саму по себе, а не как часть чего-то еще.
На первый взгляд задача о кенигсбергских мостах не имеет отношения к комбинаторике многогранников. Город Кенигсберг (ныне Калининград), некогда принадлежавший Пруссии, расположен по обоим берегам реки Преголя, на которой есть два острова. Те связаны с берегами и друг с другом семью мостами. Понятно, что жители Кенигсберга долго гадали, можно ли так проложить маршрут воскресной прогулки, чтобы только один раз пройти по каждому из мостов.
Задача о кенигсбергских мостах
Загадку в 1735 г. решил Эйлер; хотя правильнее будет сказать, он доказал, что здесь нет решения, и объяснил почему. Он использовал два важных приема: упростил задачу и сократил ее до самых элементарных требований, а затем обобщил ее, сравнив со всеми головоломками такого рода. Он указал, что для решения важны не размеры и форма островов, а то, как именно связаны между собой острова, берега и мосты. Всю проблему можно было изобразить простой схемой точек (вершин), соединенных линиями (ребрами), как это показано наложением на нашей карте.
