书城教材教辅中学理科课程资源-漫话数学故事
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第28章 十五子棋

有一种与魔方亲缘甚密的图形还原游戏,叫“十五子棋”:在有16个方格的盒子里,装着15块标有从1到15的数字的小方块,并留有一个空格。开始时,小方块是按随意的顺序放进盒子里的。游戏的要求是:有效地利用空格,调动小方块,使盒子上方块的数字还原到正常位置。现在的问题是:这样做可能吗?

这是一个相当简单的游戏,几乎人人一看就会明白。然而有时我们能够轻易取得成功,但有时无论我们作怎样的努力,却无法取得成功!那么,奥妙究竟在哪里呢?

可能读者都已注意到,空格是能够移动到盒子的任何位置的。我们也很容易利用空格把方块1、2、3依次调动到各自正常的位置上去。不过,当这三个棋子安顿好之后,想不动方块3而把方块4也移到正常位置上,却似乎有些为难。然而,用下面的办法我们却能实际上做到这一点。这里需要动到的只是一块2×3方格的区域;而且很显然,只要有一块2×3的方格区域;就一定能够做到这一点!方块3虽然动了一下,但后来又恢复到原先的位置。

现在方块1、2、3、4已经在正常的位置上。接下去方块5、6、7、8也可以同样恢复到正常位置。再接下去我们还可以把方块9和13移到各自正常的位置上。此时我们仍有2×3方格的地盘,正如前面说过的那样,在这一区域,我们依然可以把方块10和14各自安顿在正常的位置上。

至此,我们已经安顿好了12个方块,它们都已安在各自正常的位置上。剩下的位置是三个方块11、12、15和一个空格。我们还容易把11移到自己的位置,而把空格移至盒子的右下角。这时可能出现两种形式(如图40):

第一种是图(Ⅰ)的形式,此时所有的方块都已在正常的位置上,这表明我们已经取得了成功。第二种是图(Ⅱ)的形式。现在的问题是:图(Ⅱ)的形式还能不能通过移动变为图(Ⅰ)的形式呢?

答案是否定的!

事实上我们可以把所盒子里的方块看成一个数的顺列,而把空格当成数16。这样,图(Ⅰ)的顺列为:

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16。

而图(Ⅱ)的顺列则为:

1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,15,13,14,12,16。

现在读者看到:图(Ⅱ)的顺列与图(Ⅰ)正常的顺列相比,其中有些数字的位置被打乱了,有些大的数跑到小的数的前面去,这种现象我们称为“逆序”。逆序可以采用点数的办法算出来。例如图(Ⅱ)的顺列,前11个数都没有出现逆序,而后面的5个数为:

15,13,14,12,16。

其中15跑到13、14、12这三个较小数的前面,因而出现了三个逆序;而13,14跑到12的前面,这里又出现了两个逆序。此外再也没有其他逆序了。因此图(Ⅱ)的顺列共有5个逆序。

稍微认真分析一下,读者便会发现:在“十五子棋”中,方块和空格的移动,都不会引起原先顺列逆序的奇偶性的改变!由于图(Ⅰ)的顺列为偶逆序,而图(Ⅱ)的顺列为奇逆序,因而图(Ⅱ)的形式是不可能通过方块棋子的移动变为图(Ⅰ)形式的。这就是为什么“十五子棋”有时能够成功,而有时不能成功的道理!

图41是一道练习,请读者用逆序的理论判定一下,它是否能够移动成正常的位置?

一种游戏之所以使人感到兴趣,在于经一番奋斗之后,能突然间享受到一种成功的欢悦。如果一种游戏一开头便得知最终的结果,自然也就乏味多了。这大约既是数学的缺点,也是数学的伟大。

图42是一个跟“十五子棋”一样在4×4方格棋盘上进行的游戏。一只每个1面都与方格一样大小的骰子放在右上角,点数朝上。现在让骰子在棋盘上一格一格地翻动,不许滑动也不许提起,图42要求最后翻到左下角,并使点数与图42中的圆点重合。图42中的虚线表明只要翻动8次便能达到目的。这大约是所需要的最少次数了!亲爱的读者,你能用自己的智慧,对这个似乎乏味的游戏进行数学上的分析吗?