魔術方塊中的數學原理
簡單的歷史介紹:
魔術方塊是1974年,由匈牙利布達佩斯的建築系教授 Erno Rubik發明的。本來的目的是為了讓學生瞭解立體結構所做的模型,為了區分每個小塊的移動,而分別把六面給上了不同的顏色,然後在稍微轉了幾下之後,發現這個東西非常的難復原,於是世界上第一個魔術方塊就誕生了。 二階與三階的方塊:
三階方塊(Rubik's Cube)是一般最常見的方塊,是由六個中心面(center ),八個角(corner),十二個邊(edge)所組成的。而二階的方塊(Pocket Cube)則是沒有中心面的方塊,只有三階方塊的八個角。
課堂上主要以這兩種類型來說明。
首先,我們來看對於一個魔術方塊來說,它可以亂轉成幾種組合呢?
全部的組合數:
2階:7! x 3^7(環排)
3階:8! x 12! x 3^8 x 2^12 (非環排)
但是,所有的狀態都有可能出現嗎?或者說,如果我們把一個方塊拆開,再隨便裝回去,一定有辦法把它轉回原來的樣子嗎?答案是不行的。事實上,對於一個三階的魔術方塊來說,如果不把一顆魔術方塊給拆了,下面三種狀態是不可能出現的: (1)單對互換(exchange single pair )
(2)單邊翻轉(flip single edge),
(3)單角自旋(twistsingle corner )。
現在,我們就來說明這三種情形為什麼不可解,首先,我們要先說明的第一個東西是不變量,什麼是不變量?
如果我們定義出一個函數,使得這個函數的值在變換之下仍然保持不變,那它就是一個不變量。 舉例來說:
孔明棋:
。。。
。。。
。。。
i j (3,3,3) f (X ) =∏ j -i 1≤i
在3-puzzle 中一共有六種case ,而其中只有三種有解,婐們稱之為偶至換(even swap)而另外三種不可解的則稱為奇至換(odd swap),並不是所有的題目中奇至換都不可解,只是在這個例子中,剛好不可解。
所以現在我們知道了,如果要用不變量來確認一個狀態和另一個狀態之間是否互通(就是可解的意思),我們可以先建構一個不變量的函數出來,然後計算它的值,再確認在合理的操做之下,這個值不會改變,那麼,我們就可以說如果有一個狀態,代入我們給出的公式計算,得到和原來不一樣的值,那這個狀態就不可解。
現在,我們回到魔方上。對於下列的三種情形,現在我們分別給出三種不變量:
單對互換:位置的不變量。
單邊翻轉:邊的不變量。
單角自旋:角的不變量。
首先我們來看位置的不變量:
這裡我們給出一個和3-puzzle 相似的函數:f (X )
=
1≤i
i j -i
為什麼是20?因為我們有8個角和12個邊,一共有20個小方塊。
經過計算可以知道,對於尚未轉亂的狀態來說f(X)=1
而如果只有兩個方塊交換的時候f(X)=-1
但是一個方塊最小的變換是對於單一個面做四分之一圈的旋轉,而在經過四分一圈旋轉之後f(X)=1。所以,我們可以知道不存在只有兩個單獨方塊對的交換。
但是在二階的方塊中,只交換兩個方塊的情形是存在的,因為二階方塊沒有邊,所以它的變換是奇至換。
接著,我們考慮邊和角的情形:
對於每一個邊來說,有一面是1/2而有另外一面是0,而在每一個轉動中,每個面增加的總量是一
個整數,減少的總量也是一個整數,所以不存在只有一個邊翻轉的情形。
對於每一個角來說,三面分別是0,1/3,2/3。則對於每一個旋轉來說,每個面的改變量一定是整數,而如果旋轉單一角,則會導致面的改變量是分數,所以單一角的旋轉也是不存在的。
所以,實際上的組合數應該是:
2階:7!x 3^7/3=3,674,160
3階:8! x 12! x 3^8 x 2^12 /2 /2 /3=4,325,003,274,489,856,000
圖論下的模型:
如果我們把所有的狀態都當成一個點,而一個狀態可以經由一個旋轉達成另一個
狀態的話,我們說這兩個點之間有邊。如此一來,我們會得到一個有4,325,003,274,489,856,000個點的圖。
為什麼要這樣模型化呢?因為這牽涉到一個相當複雜的問題:對於任意亂的方塊,是否存在一個最短路徑的解法?這個答案是肯定的,那麼如果存在一個這樣的解法,那麼將之推廣的話,對於所有的狀態,是否都能在n 轉之內將其復元呢?
事實上,這是一個NP-hard 的題目,目前還沒有辦法用電腦計算出來,於是就有人把這個問題改成這樣的等價形式:對於這個圖中的任兩點,最長的距離是多少?
不過這也只是一個想法而已,截至目前為止,仍然沒有人對這個問題做出解答。
參考書目:
1:C. Bandelow : Inside Rubik’s Cube And Beyond (Boston : Birkhäuser, c1982)
2:Ern ő Rubik :Rubik's cubic compendium (Oxford [Oxfordshire] : Oxford University Press,
1987)
魔術方塊中的數學原理
簡單的歷史介紹:
魔術方塊是1974年,由匈牙利布達佩斯的建築系教授 Erno Rubik發明的。本來的目的是為了讓學生瞭解立體結構所做的模型,為了區分每個小塊的移動,而分別把六面給上了不同的顏色,然後在稍微轉了幾下之後,發現這個東西非常的難復原,於是世界上第一個魔術方塊就誕生了。 二階與三階的方塊:
三階方塊(Rubik's Cube)是一般最常見的方塊,是由六個中心面(center ),八個角(corner),十二個邊(edge)所組成的。而二階的方塊(Pocket Cube)則是沒有中心面的方塊,只有三階方塊的八個角。
課堂上主要以這兩種類型來說明。
首先,我們來看對於一個魔術方塊來說,它可以亂轉成幾種組合呢?
全部的組合數:
2階:7! x 3^7(環排)
3階:8! x 12! x 3^8 x 2^12 (非環排)
但是,所有的狀態都有可能出現嗎?或者說,如果我們把一個方塊拆開,再隨便裝回去,一定有辦法把它轉回原來的樣子嗎?答案是不行的。事實上,對於一個三階的魔術方塊來說,如果不把一顆魔術方塊給拆了,下面三種狀態是不可能出現的: (1)單對互換(exchange single pair )
(2)單邊翻轉(flip single edge),
(3)單角自旋(twistsingle corner )。
現在,我們就來說明這三種情形為什麼不可解,首先,我們要先說明的第一個東西是不變量,什麼是不變量?
如果我們定義出一個函數,使得這個函數的值在變換之下仍然保持不變,那它就是一個不變量。 舉例來說:
孔明棋:
。。。
。。。
。。。
i j (3,3,3) f (X ) =∏ j -i 1≤i
在3-puzzle 中一共有六種case ,而其中只有三種有解,婐們稱之為偶至換(even swap)而另外三種不可解的則稱為奇至換(odd swap),並不是所有的題目中奇至換都不可解,只是在這個例子中,剛好不可解。
所以現在我們知道了,如果要用不變量來確認一個狀態和另一個狀態之間是否互通(就是可解的意思),我們可以先建構一個不變量的函數出來,然後計算它的值,再確認在合理的操做之下,這個值不會改變,那麼,我們就可以說如果有一個狀態,代入我們給出的公式計算,得到和原來不一樣的值,那這個狀態就不可解。
現在,我們回到魔方上。對於下列的三種情形,現在我們分別給出三種不變量:
單對互換:位置的不變量。
單邊翻轉:邊的不變量。
單角自旋:角的不變量。
首先我們來看位置的不變量:
這裡我們給出一個和3-puzzle 相似的函數:f (X )
=
1≤i
i j -i
為什麼是20?因為我們有8個角和12個邊,一共有20個小方塊。
經過計算可以知道,對於尚未轉亂的狀態來說f(X)=1
而如果只有兩個方塊交換的時候f(X)=-1
但是一個方塊最小的變換是對於單一個面做四分之一圈的旋轉,而在經過四分一圈旋轉之後f(X)=1。所以,我們可以知道不存在只有兩個單獨方塊對的交換。
但是在二階的方塊中,只交換兩個方塊的情形是存在的,因為二階方塊沒有邊,所以它的變換是奇至換。
接著,我們考慮邊和角的情形:
對於每一個邊來說,有一面是1/2而有另外一面是0,而在每一個轉動中,每個面增加的總量是一
個整數,減少的總量也是一個整數,所以不存在只有一個邊翻轉的情形。
對於每一個角來說,三面分別是0,1/3,2/3。則對於每一個旋轉來說,每個面的改變量一定是整數,而如果旋轉單一角,則會導致面的改變量是分數,所以單一角的旋轉也是不存在的。
所以,實際上的組合數應該是:
2階:7!x 3^7/3=3,674,160
3階:8! x 12! x 3^8 x 2^12 /2 /2 /3=4,325,003,274,489,856,000
圖論下的模型:
如果我們把所有的狀態都當成一個點,而一個狀態可以經由一個旋轉達成另一個
狀態的話,我們說這兩個點之間有邊。如此一來,我們會得到一個有4,325,003,274,489,856,000個點的圖。
為什麼要這樣模型化呢?因為這牽涉到一個相當複雜的問題:對於任意亂的方塊,是否存在一個最短路徑的解法?這個答案是肯定的,那麼如果存在一個這樣的解法,那麼將之推廣的話,對於所有的狀態,是否都能在n 轉之內將其復元呢?
事實上,這是一個NP-hard 的題目,目前還沒有辦法用電腦計算出來,於是就有人把這個問題改成這樣的等價形式:對於這個圖中的任兩點,最長的距離是多少?
不過這也只是一個想法而已,截至目前為止,仍然沒有人對這個問題做出解答。
參考書目:
1:C. Bandelow : Inside Rubik’s Cube And Beyond (Boston : Birkhäuser, c1982)
2:Ern ő Rubik :Rubik's cubic compendium (Oxford [Oxfordshire] : Oxford University Press,
1987)