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15 拼图


15Puzzle

“15 拼图”是一种滑动方块谜题,通常(但不正确地)归因于萨姆·劳埃德。然而,Slocum 和 Sonneveld (2006) 的研究表明,萨姆·劳埃德并没有发明 15 拼图,也与推广或普及它无关。由 15 拼图引起的谜题热潮始于 1880 年 1 月在美国,4 月在欧洲,并于 1880 年 7 月结束。劳埃德在 1891 年首次声称他发明了这个谜题,并在他去世前持续了 20 年的运动,以虚假地为这个谜题邀功。实际的发明者是纽约州卡纳斯托塔的邮政局长诺伊斯·查普曼,他于 1880 年 3 月申请了专利。

15 拼图由 15 个编号从 1 到 15 的方块组成,这些方块放置在一个 4×4 盒子中,留下 16 个位置中的一个空位。目标是通过一次滑动一个方块到上面显示的配置,从给定的任意起始排列重新定位这些方块。对于某些初始排列,这种重新排列是可能的,但对于另一些则不可能。

为了解决给定初始排列的可解性,请按如下步骤操作。如果包含数字 i 的方块在(从左到右、从上到下读取盒子中的方块)小于 n 的数字“之前”出现,则称其为阶为 n 的倒置,并将其表示为 n_i。然后定义

 N=sum_(i=1)^(15)n_i=sum_(i=2)^(15)n_i,

其中,总和只需要从 2 运行到 15,而不是从 1 运行到 15,因为没有小于 1 的数字(因此 n_1 必须等于 0)。更简单地说, N=i(p) 是数字列表中的排列倒置数。另定义 e 为空方块的行号。

15PuzzleExample

那么,如果 N+e偶数,则该位置是可能的,否则是不可能的。换句话说,如果列表的排列符号 (-1)^(i(p))+1,则该位置是可能的,而如果符号为 -1,则是不可能的。这可以使用交错群来正式证明。例如,在上面显示的排列中, n_2=1 (2 在 1 之前)并且所有其他 n_i=0,因此 N=1 并且这个谜题无法解决。

15PuzzleInversions

类似地,在上面方块的随机排列中,倒置计数分别为 12、9、9、5、4、4、3、3、0、3、3、2、1、1 和 0,倒置总和为 59。由于这个数字是奇数,因此上面谜题的排列无法解决。

虽然谜题的奇数排列无法解决(Johnson 1879),但所有偶数排列都是可解的(Story 1879)。尽管赫斯坦和卡普兰斯基 (1978) 断言“似乎没有真正简单的证明是已知的”,但阿切尔 (1999) 提出了一个简单的证明。威尔逊 (1974) 的一个更一般的结果表明,对于任何 连通图 上的 n 节点,除了环图 C_ntheta0 图之外,通过滑动标签可以获得正好一半或全部 n! 可能的标签,这取决于图是否是二分图(Archer 1999)。 theta_0 有六个不等价的标签,而 C_n(n-2)! 个不等价的标签。

可以证明,在 3×3 棋盘上制作的“8 拼图”的反转顺序至少需要 26 步,尽管最佳解决方案需要 30 步(Gardner 1984,第 200 页和 206-207 页)。28、30、32、... 步中不同解的数量分别为 0、10、112、512、... (OEIS A046164),给出了 634 个比 Dudeney (1949) 给出的 36 步解决方案更好的解。

对于 n=1, 2, ...,解决 15 拼图的 n×n 推广所需的最大步数分别为 0、6、31、80、... (OEIS A087725; Brüngger 等人 1999)。


另请参阅

单人跳棋, 谜题图, Theta-0 图

此条目的部分内容由 Jerry Slocum 贡献

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参考文献

Archer, A. F. "15 拼图的现代处理方法。" Amer. Math. Monthly 106, 793-799, 1999.Ball, W. W. R. 和 Coxeter, H. S. M. 数学娱乐与散文,第 13 版。 纽约:Dover,第 312-316 页,1987 年。Beasley, J. D. 博弈的数学。 牛津,英格兰:牛津大学出版社,第 80-81 页,1990 年。Berlekamp, E. R.; Conway, J. H; 和 Guy, R. K. 数学游戏的制胜之道,第 2 卷:特殊游戏。 伦敦:学术出版社,1982 年。Bogomolny, A. "萨姆·劳埃德的十五。" http://www.cut-the-knot.org/pythagoras/fifteen.shtml.Bogomolny, A. "萨姆·劳埃德的十五 [历史]。" http://www.cut-the-knot.org/pythagoras/history15.shtml.Brüngger, A.; Marzetta, A.; Fukuda, K.; 和 Nievergelt, J. "并行搜索基准 ZRAM 及其应用。" Ann. Oper. Res. 90, 45-63, 1999.Davies, A. L. "旋转 15 拼图。" Math. Gaz. 54, 237-240, 1970.Dudeney, H. E. 问题 253,出自 坎特伯雷谜题和其他奇特的问题,第 7 版。 伦敦:Thomas Nelson and Sons,1949 年。Gardner, M. 来自《科学美国人》的第六本数学游戏书。 芝加哥,伊利诺伊州:芝加哥大学出版社,第 64-65 页、200-201 页和 206-207 页,1984 年。Herstein, I. N. 和 Kaplansky, I. 数学事项,第 2 版。 纽约:Chelsea,第 114-115 页,1978 年。Hurd, S. 和 Trautman, D. "15 拼图上的骑士巡游。" Math. Mag. 66, 159-166, 1993.Johnson, W. W. "'15 拼图注释。I.'" Amer. J. Math. 2, 397-399, 1879.Kasner, E. 和 Newman, J. R. 数学与想象力。 雷德蒙德,华盛顿州:Tempus Books,第 177-180 页,1989 年。Korf, R. E. "深度优先迭代加深:一种最优容许树搜索。" Artificial Intelligence 27, 97-110, 1985.Korf, R. E. 和 Taylor, L. A. "寻找 24 拼图的最优解。" 收录于 第 11 届人工智能全国会议论文集,第 756-761 页,1993 年。Kraitchik, M. "15 拼图。" §12.2.1,出自 数学娱乐。 纽约:W. W. Norton,第 302-308 页,1942 年。Liebeck, H. "14-15 拼图的一些推广。" Math. Mag. 44, 185-189, 1971.Loyd, S. 萨姆·劳埃德的数学谜题,第 1 卷。 纽约:Dover,第 19-20 页,1959 年。Loyd, S. Jr. 萨姆·劳埃德的 5000 个谜题、技巧和难题百科全书。 Lamb Pub.,1993 年。Mallison, H. V. "方块阵列。" Math. Gaz. 24, 119-121, 1940.Ratner, D. 和 Warmuth, M. "寻找 (N×N)-15 拼图扩展的最短解是难解的。" J. Symbolic Comp 10, 111-137, 1990.Sloane, N. J. A. 序列 A046164A087725,出自 "整数序列在线百科全书"。Slocum, J. 和 Sonneveld, D. 15 拼图:它如何让世界疯狂。1880 年谜题热潮的开始。美国最伟大的谜题设计师萨姆·劳埃德如何愚弄所有人 115 年。 比佛利山庄,加利福尼亚州:Slocum Puzzle Foundation,2006 年。Spitznagel, E. L. Jr. 数学精选主题。 纽约:Holt, Rinehart and Winston,第 143-148 页,1971 年。Spitznagel, E. L. Jr. "重新审视十五拼图。" Math. Mag. 40, 171-174, 1967.Steinhaus, H. 数学快照,第 3 版。 纽约:Dover,第 14-16 页,1999 年。Story, W. E. "'15 拼图注释。II.'" Amer. J. Math. 2, 399-404, 1879.Whipple, F. J. W. "行列式展开式中项的符号。" Math. Gaz. 13, 126, 1926.Wilson, R. M. "图谜题、同伦和交错群。" J. Combin. Th. Ser. B 16, 86-96, 1974.

在 Wolfram|Alpha 中引用

15 拼图

引用为

Slocum, JerryWeisstein, Eric W. “15 拼图”。来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/15Puzzle.html

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