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“骑士巡逻”与幻方

格式:DOC 上传日期:2023-06-13 10:37:14
“骑士巡逻”与幻方
时间:2023-06-13 10:37:14     小编:

《最强大脑》的口号是:让科学流行起来!而我们的口号则是:让数学流行起来!

第一季有一期对战西班牙,教授马丁・洛佩兹的“骑士跳”,给我留下了十分深刻的印象,因为这首先就是一个棋盘上的由来已久的数学问题,很是有趣.

这一问题最早可以追溯到9世纪的古印度的恰图兰卡.之后许多数学家都曾钻研此问题,包括欧拉在内.我们称之为“骑士巡逻(也叫骑士巡游)(Knight's tour)”:将一个国际象棋的骑士(或称马)放在棋盘上,有什么路径能使它按照规定走法(马步)走遍棋盘上每一格而无重复呢?

于是,“骑士巡逻”就成为了历史上比较有名的一个趣味问题流传下来,思考这一问题的人的初衷可能是为了好玩,但是数学家们却要思考趣味问题背后的秘密――找出所有的“骑士巡逻”路径.

骑士巡逻问题其实是图论上的一个求哈密尔顿路径问题,假若骑士能够走回到最初位置,则称此巡逻为“封闭巡逻”;否则,称为“开巡逻”.孙彻然为马丁教授设计的这个问题,初始点与最终点之间刚好也满足马步跳,所以其实就是一个“封闭巡逻”.

接着,我们对比下“骑士跳”的规则:

在200~500之间任意选择一个三位数,然后在8×8的国际象棋盘中任意选择一个骑士的起点和终点,并且在起点格中任填写一个数字,然后按照国际象棋中跳马的规则,每走一步填写一个数字,直至走完整个棋盘.所走路线不能重复,填完之后,每一行每一列之和等于之前所选择的三位数.

不难发现,最大的区别在于最后的一句话:“填完之后,每一行每一列之和等于之前所选择的三位数.”

这不就是一个类似幻方的填充吗?

幻方,是人类智慧的结晶,它起源于中国的河图洛书,义被称为纵横图,公元13世纪,我国数学家杨辉首先对其开展了系统研究,欧洲的研究则要推迟至14世纪后,这义是一个历史悠久的“大家伙”啊!(关于幻方的科普书籍也有很多,比如吴鹤龄所著的《幻方及其他――娱乐数学经典名题》、谈祥柏所著的《奇妙的幻方》等,感兴趣的同学可以阅读)

而且比较巧合的是,数学家欧拉在这两个问题上都有过研究,他设计的马步半幻方(注:如果不能保证对角线相加等于幻和,就是半幻方),就很有意思.

如下图所示,在8×8的方格中,从1出发,按照国际象棋中马步走法,可以一直走到64而没有重复.

(注:之所以是半幻方,是因为利用马步构造偶数阶幻方非常困难,至今没有完美结果.)

这个发现令我们有些激动起来,因为半幻方就是利用马步跳来完成的,那么细想想,“骑士巡逻”与马步幻方之间是否存在着某种关联?

小小的一个“骑士跳”,竟然融合了“骑士巡逻”和幻方两个历史上都鼎鼎大名的数学趣味问题,而且沟通了中西文化,真是意义深远,令人回味无穷.

马丁教授的能力也很了得,他很可能是熟记了一个八阶的半幻方,并根据孙彻然提供的起点和终点现场寻找“骑士巡逻”的有效路径(一开始没找到,有些失误),然后通过对比起点和终点的数字与原来数字的差,以及八阶幻和260与477的差,进行加减运算后,得到了最终的一个解,

步骤可以演示如下:

1.记忆八阶半幻方一个,尽量规律性强些(甚至就类比于“骑士巡逻”的路线来操作,现场制作八阶半幻方),方便记忆,如下图所示:

2.孙彻然给出起点和终点的位置及相应的数字后,根据起点和终点寻找“骑士巡逻”的路径,如下图所示:

要找到这个路径并不是很容易,但是也有技巧可循.这里只稍作提示:观察上图的同类型区域(阴影区分),是比较容易实现马步循环的,一共有4种不同的类型,而你只要找到从一种类型跳到另一种类型的策略,就可以找出这个路径.规律性比较强.

3.根据数字31以及总和477,我们开始计算:

1比31少了30,要减,所以1到8的数字都要加上30,以保证每行每列的和同时增加30;

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