“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 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 的方块在(从左到右、从上到下读取盒子中的方块)小于
的数字“之前”出现,则称其为阶为
的倒置,并将其表示为
。然后定义
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 必须等于 0)。更简单地说,
是数字列表中的排列倒置数。另定义
为空方块的行号。
那么,如果 为偶数,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
为
,则该位置是可能的,而如果符号为
,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,
(2 在 1 之前)并且所有其他
,因此
并且这个谜题无法解决。
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 节点,除了环图
和 theta0 图之外,通过滑动标签可以获得正好一半或全部
可能的标签,这取决于图是否是二分图(Archer 1999)。
有六个不等价的标签,而
有
个不等价的标签。
可以证明,在 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 , 2, ...,解决 15 拼图的
推广所需的最大步数分别为 0、6、31、80、... (OEIS A087725; Brüngger 等人 1999)。