魔方公式都呈現週期性嗎?

時間 2021-05-30 16:28:54

1樓:philos

這個問題在我初中時發現過,當時想了一下也很快想通了.

我們給出一種直接一點的證明,每個稜塊或角塊上的顏色面的集合為M(例如:黃綠稜上的黃色面,我們記為黃綠-黃,白紅綠角塊上的白色面,白紅綠-白).

經過公式P,我們建立乙個對映f,使M內的每乙個元素對映到這個元素在公式P後所在位置在進行公式P前所在的乙個元素

(注意,這裡的位置是相對於中心塊而言的)

上面可能說的比較繞,我們對這個對映作乙個說明:

舉個例子,下面是原狀態:

我們記公式P為RUR'U'(白底藍前)

那麼經過這個公式P,我們可得下面這種狀態:

在原來的狀態中,紅藍-紅所在位置為:

經過公式P後,它到了這個位置:

這個位置原來的塊是:

也就是黃紅-紅,故我們可記在這個公式P的對映f下:紅藍-紅→黃紅-紅.

由此我們可以建立起對映 ,這是乙個雙射.

我們建立乙個有向圖G,M的元素是裡面的所有點,連邊 ,對 .

我們要證明這個公式具有週期性,顯然不需要考慮指向自己的點,故不妨設對 ,均有 .

易知對於每個 ,s的出度和入度均為1,易知這個圖G形成了若干個圈(若有乙個點不屬於任何乙個圈,則其出度和入度至少有乙個為0,矛盾)

設這幾個圈為 ,則 .對任意 ,均有 ,易知對任意 ,均有

( 代表 的點數, 代表元素s經過p次 對映所對應的元素)

最後我們取 ,則q是任意乙個 的倍數,故對任意s∈M,均有 ,換句話說,對於任意的塊對應的顏色在經過q次公式P時總會回到原來的位置,也就是達到原來的狀態.週期性得證.

(注:lcm代表求最小公倍數)

p.s.上面的演算法所給出的q是最小的,因為再小就不是公倍數了,總有乙個塊無法回到原來的位置

還有一種不依賴於有向圖性質的證明.

設原狀態為Q,設集合 代表Q經過若干次公式P後所達到的所有狀態.

由於魔方狀態數有限,故必存在 ,使得

易證,若 ,則

故我們可推出 ,從而週期性亦得證.

不過這個證明有乙個缺點就是不能給出週期的演算法,僅能證明週期性.

2樓:天上的星星哪去了

用反證法

假設重複n遍不能還原

那麼每一遍都能出現前面沒有出現過的狀態

(否則n遍可以還原)

那麼魔方就有無限種狀態

這與已知魔方的狀態是有限的矛盾

所以得證

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