乌木598 乌木598
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三阶魔方的多和少 3×3×3魔方的六个中心块的相互位置关系是打不乱的,正好作为判断魔方状态变化不变化的固定参照物,也就是只要相对于中心块组来看角块和棱块的变化即可。 三阶魔方的角块只有8个,棱块只有12个,但是它们围绕着中心块组的变化数多得惊人,约有四千多亿亿个: ( 8!×3^7×12!×2^11 ) / 2 = 43 252 003 274 489 856 000 ≈ 4.325×10^19 如果一个三阶魔方缩小为1立方毫米,4325亿亿个魔方在一个平面上紧挨着铺排的面积就是4325平方公里,远大于四个中国的面积!而且其中没有两个魔方花样是完全一样的!但都是同一个魔方变换出来的。 8! 是8个角块在8个位置上的全排列数; 12! 是12个棱块在12个位置上的全排列数; 3^7 是角块的色向变化数。虽然一个角块可以有3个色向,由于不可能单单翻转一个角块,所以该变化数不是3^8。一个角块可能的三种色向分别为0°,120°或240°,如果头7个角块的色向和为0°(角度求和时360°算作0°),则第8个角块的色向只能是0°。因为8个角块的色向和是始终保持为0°的。 如果头7个角块的色向和为120°(或240°),则第8个角块的色向只能是240°(或120°)。这就是“不可能单单翻转一个角块”。 2^11 是棱块的色向变化数。虽然一个棱块可以有2个色向,由于不可能单单翻转一个棱块,所以该变化数不是2^12。原因相似于上述角块的色向问题,棱块的色向和也是始终为0°的。此外,棱块的可能色向是0°或180°两种。 除以2 是因为:角块和棱块的位置变化数 8!×12! 之中,有一半是奇数次二交换的结果,另一半是偶数次二交换的结果。前一种结果在三阶魔方中是不可能出现的,必须排除。 相对于三阶魔方的约四千多亿亿的变化数,三阶魔方的任何打乱态的复原步数,理论上不超过20步,何其“少”也! 四千多亿亿个状态的相互变换关系是个巨大的网络。 假定取复原态为变换的初态(“0步态”),分别走不同的一步(比如初态顶层一转和初态右层一转是两个不同的“1步态”),得到多个“1步态”,后者再分别走不同的一步,得到更多的“2步态”…………一代一代变化下去,先是一代比一代多(因新的态比重复的态多,重复态不计入),后来是一代比一代少(因新态比重复态少),到“20步态”时,得到一个最远态。 也就是说,这个网络是两头尖(各一个态),中间胖的橄榄形的,分为21层(0步态~20步态)。 这样,任一态的复原步数,理论上当然就不超过20步咯。 下面是1×2×2魔方的态态关系网(最远是4步态),三阶魔方的态态关系网与它有共同特点。再比如1×3×3魔方的192个态的态态关系网情况如下:二阶魔方(2×2×2)总态数为3674160,最远态是11步态,且有2644个之多,这很特殊。如果靠人脑来复原一个三阶魔方的比如最远态的话,极难找出那最少的20步。但由于态态关系是个网络,人脑复原时,用远多于20步的方法,还是可以在网络中兜来绕去地回到初态复原态的。 网络带来的好处一例:初态复原态顶层逆时针一转90°,要复原这个打乱态的话,可以是顶层顺时针一转90°,也可以是顶层逆时针旋转270°。如果复原该打乱态时不允许转顶层,那么,转别的表层照样可以复原:办法很多,比如: R L F2 B2 R' L' D R L F2 B2 R' L' 。符号含义见下。 “碰着红灯绕着走”! 网络嘛! 三阶魔方第20代的最远态是这样子的:也就是12个棱块各自就地翻转180°而已! 它的任一表层一转之后,都是回到某个第19步态;后者接下去的任何表层旋转,都不可能出现第21代;等等。 复原这最远态的具体的20步有很多很多种,胡波老师给出过32625种,还说只是一部分。比如其中一种是: R L U2 F U' D F2 R2 B2 L U2 F' B' U R2 D F2 U R2 U 符号的含义如下: R 右层顺时针转90°,R' 右层逆时针转90°,R2 右层旋转180°; L 左层,U 上层,D 下层,F 前层(靠近自己的表层),B 后层。旋转度数类似R、R' 或R2; 顺逆转向规定为面对被转面观看时的转向,所以转后层、左层和下层时,当心点,别转反了! 还有一个有意思的事情,有人用电脑实现了一些魔方的哈密尔顿循环——一个公式历遍该魔方的全部状态,最后再走一步的话,回到初态。也就是从初态开始,一步一态,一步一态,……不重复地历遍所有态。对三阶魔方来说,已经成功地历遍四千多亿亿个态! 例如,133魔方的192个态的哈密尔顿循环如下:(各态的编号基于该魔方的某个态态关系图)
最少公式复原三阶纯色魔方 如果有人要求不记公式复原魔方,那么,我认为,一般来说,不记公式是不可能的,但可以少记公式。 当然,公式少了,总的步骤就多了,不能兼得的。 能用最少公式复原,就有了底气,接着再学别的复原方法,提速并扩大公式量,等等。 一个块的变化无非是位置和色向,两者可以分开复原。 复原的参照物就是六个中心块,因为纯色三阶的六个中心块是永远打不乱的,正好作为复原的参照物。 比如红白棱块的位置当然要调到红中心块和白中心块之间;红白棱块的色向,当然要棱块的红面与红中心块相邻,棱块的白面与白中心块相邻。等等。 角块的位置和色向的复原要求类似,只不过要参照三个中心块而已。 整个复原过程不必死扣哪个中心块向上,哪个向前等等,魔方的取向完全根据公式要求来个随机应变。 作为抛砖引玉,下面给出一种最少公式的套路,各位魔友看看,还能再少吗? 1、棱块位置。先不管棱块的色向如何,只求棱块的位置对。头几个棱块调动位置无须公式,到需要用公式时,只要魔方取向使得两个被调动的棱块处于魔方顶层的左棱和前棱,做它俩的交换公式: U F R U R' U' F' 做好一次公式,这两个棱块的色向不一定对,暂不管。位置的话,两个都对最好;对一个也可以;两个都不对,但有一个朝目的地近了一些也是好的。 棱块的位置再怎么乱,有了这个棱块二交换公式,总是可以使12个棱块的位置全对的。 2、棱块色向。只管棱块翻色,不改变棱块的位置。魔方取向使得要翻色的两个棱块或四个棱块处于顶层,顶层右棱翻转公式: (R E)4翻好一个右棱,下面会暂时混乱,无妨,保持下两层不动,转动顶层,让第二个要翻转的棱块临时调到右棱位置,也做这个翻转公式,下面的混乱也会自动消除。再把第二个翻好的棱块经转顶调回原来位置。 这公式每做两遍,下面就恢复原状,所以同一顶层要么翻两个,要么翻四个,如果顶层有三个棱块要翻转,只能翻两个,第三个要和下面别的棱块搭配,并改变一下魔方的取向,如法炮制翻转两个棱块。 应用这个翻棱公式前,有时需要临时改变一下某个棱块的位置,调到顶层,做好(两个棱块的)翻棱工作后,原路逆调动回去即可。 整个魔方不可能翻转奇数个棱块。 至此,12个棱块全复原了。 3、角块位置。接下去复原角块当然不能破坏已复原的12个棱块,所以要用三个角块位置三轮换的公式。 同样,暂不管角块的色向,只求角块位置对。 做一次公式调对三个角最好,调对一个角或两个角也可以。 由于棱块位置已经都对了,所以若干次三轮换,一定可以使8个角块对位置正确。 顶层左前角不动,其余三角顺时针轮换: U' L' U R U' L U R' 顶层右前角不动,其余三角逆时针轮换: U R U' L' U R' U' L如果不动的角块位置也不对,可以接下去和别的角块搭配(需要的话还要改变魔方取向)三轮换。 例如:可以看到,这种三轮换,会使被调动的三个角改变色向,在此是无所谓的。 顺便说一下,任何形式的两个二交换的调动要求,都可以做两次三轮换实现。 4、角块色向。 顶层前右角顺翻: (R F' R' F)2 顶层前右角逆翻: (F' R F R')2翻好一个角块后,下面暂时混乱无妨,保持下面不动,顶层别的要翻的角块经转顶临时调到前右位置来接受翻转,然后仍经转顶调回去,适时恢复其位置。 对顶层前右角做一遍顺翻公式(或逆翻公式),再对新调到前右位置的角块做一遍逆翻公式(或顺翻公式);或者,对第二、第三个调到前右位置上的角块都做顺翻公式(或逆翻公式),下两层都自动恢复原状。 原理是,连做一遍顺翻和一遍逆翻公式;或连做三遍顺翻(或逆翻)公式的话,魔方恢复原状。 所以,如果顶层只要翻一个角块的话,只能和底层别的角块搭配,(改变魔方取向后)应用这两个翻角公式。 不可能单单翻转一个角块。如果出现要单单翻一个角块(所谓“转角”了),只能小心地直接就地扭正它。 至此,应用了最少的公式,魔方就全复原了。 (题目中的“纯色魔方”是指中心块无方向性的魔方。)
五个正四面体互相贯通的五魔方变形物复原态参考图 五个正四面体互相贯通的五魔方变形物(不妨简称为刺猬魔方)有左旋、右旋两种,贴色又各有12色和5色两种,下图是12色的与五魔方的比较图。棱块变形时,由于形成一个个正四面体的需要,不再是一个棱块两个小色面,而是一个棱块有四个小色面,呈曲折状,却只是一个棱块而已(图中绿线圈出了一个棱块):可见,12色的刺猬魔方复原法同普通五魔方。 5色的刺猬魔方各块的变形情况同12色的,但是每面的五边形的心块不再是贴五片同色小色片,而是贴有五片不同颜色的小色片,心块就具有方向性了,12个心块互不一样。复原后整个魔方的五个正四面体(每个正四面体同一色)清晰可见。见下图:5色版的刺猬魔方打乱之前,最好记下复原态的情况,打乱后复原时可以有个参看图,省事不少,否则,复原工作难度大增。 下图是作为工作用图的复原态示意图一例,其中右半部分中间的一个面的五色心块就是上图中间的五色心块(即顺时针依次是白黄红绿紫):总共30个棱块,每个棱块两个颜色,5种颜色取2种的组合数为10,也就是说每三个棱块是一样的。 每个正四面体有4个同色的角块。 既然有相同棱块和相同角块,复原到最后如果出现要单单交换两个块的情况,可以选一个相同块临时调上来做适当的三轮换即可。
19阶魔方拼字探讨 日前在“秋月白”的一个帖子中跟帖探讨了如何在19阶魔方上拼六面“秋”字,那帖子题目不明确,恐以后难找,另发此帖。 第一种同时拼六面花样的方法,那花样要对称的才好,否则,结果是三面正花样,另三面反花样。下面介绍做法。 比如,三阶六面换心,前心到上面,上心到右面,右心到前面,从上右前看魔方,这三心算顺时针轮换的话,同时,从左后下看魔方,另三个中心块就逆时针轮换来着。这,大家都知道,做 E' M E M' 。 这种 E' M E M' 模式的做法完全适用于高阶的六面换心,比如在四阶或五阶上,做 2U 2R' 2U' 2R (2U和2R都是指第二层的一层转),就得到:对于19阶而言,一个面,比如F面,相应的各层的符号用了胡波符号法如下图(图片是借用“秋月白”的,这里加注了转层符号),可见,2U=iD',4R=gL',等等。公式中单单表层转的话,1U、1R等就只写U、R等。该F面的心块哪些要更换,可以从上到下逐层扫描来确定每一层的“E' M E M' ”模式的具体步骤。 比如上图的秋字花样,该F面的2U层中,仅7R层的心块被R面的红心块替换(假定初态是复原态,上白前绿右红),则六个面的各面中,相当于2U行7R列的心块的轮换步骤为2U 7R' 2U' 7R,这就是该心块的六面换心的“E'MEM' ”模式的具体步骤。 再比如3U层中,7R和dR两个心块被替换,相应的步骤就是3U 7R' dR' 3U' 7R dR,即两个四步公式合并为一个公式。 有时会有几个水平层,比如5U行和6U行,其中的更换心块的列号相同,则只要一个公式,其中两行可合并为56U。比如5U行和8U行一样,则可以在同一公式中连写两步:5U 8U………… 这样,19阶上那样的一个秋字的逐行轮换心块的步骤为: 2U 7R' 2U' 7R 3U 7R' dR' 3U' 7R dR 4U 7R' eR' 4U' 7R eR 5U 7R' ehR' 5U' 7R ehR 6U 3R' 7R' eR' 6U' 3R 7R eR 7U 4R' 7R' eR' 7U' 4R 7R eR 8U 5R' 7R' aR' ciR' 8U' 5R 7R aR ciR 9U 7R' 9R' efR' 9U' 7R 9R efR aU 7R' dfR' aU' 7R dfR bU 7R' cR' eR' gR' bU' 7R cR eR gR cU 6R' 8R' eR' hR' cU' 6R 8R eR hR dU 5R' 9R' eR' iR' dU' 5R 9R eR iR eU 4R' aR' eR' eU' 4R aR eR fU 3R' bR' eR' fU' 3R bR eR gU 2R' cR' eR' gU' 2R cR eR 这样就同时得到三个正的秋字和另三个反的秋字(镜像):没有实物19阶魔方无妨,可以在屏幕上操作虚拟魔方来琢磨,我贴的图就是虚拟19阶魔方的屏幕截图。 如果要做的花样是对称的,则这种方法得到的六面花样都是正的。比如六面爱心花样,可以如下逐层做,共做11个六面换心公式:六面花样同时完成,另三面的爱心花样也是正的。 第二种方法是拼不对称花样且要求六面都是正的,就要先拼U、R、F三面,另三面不变,然后做另三面,而已做好的前三面花样不变。显然前三面和后三面的花样可以不同。下面介绍做法。这些是高阶魔方三面换心的几种基本模式,下面可以看到它们十分有用。 19阶上做那个秋字时,可以先做右上部分的笔划,再做左上部分,下面的左右两部分则180°旋转到上半部位置后再做。做右上部分时应用上图第二图的三轮换模式:接着做秋字的左上区域笔划,公式可应用前面在五阶魔方上的基本模式的第一图模式,但是此处的19阶先要做一下U2,顶面的新做的笔划才能和上图顶面已有的笔划匹配。三面秋字的上半部分完成。 秋字的下半部分做法类推,不过先要做F2和R2,使F和R面的下半部分临时变成上半部分,看情况还可能要适当转顶,使得顶面的新笔划和顶面的已有笔划互相匹配。 下面接着做秋字的左下部分,上面最后一图做一下R2 F2,顶层暂不必旋转,然后4U~9U逐层三轮换:秋字的右下部分做法类推,哈,当作暑假作业留给您做了。
关于五魔方的换棱花样 好几次有人问为何做不成五魔方的一种换棱花样,该花样的设想是,每个面的五个棱块的颜色换成相对色。但做到最后,总是有两个棱块交换不了,比如:原因是,五魔方不可能单单交换两个棱块,因为五魔方的基本变换是表层一转72°,该操作总是使棱块发生一个五轮换。而任何五轮换等价于四个二交换( 任何N轮换等价于N-1个二交换),是偶数个二交换,所以五魔方的任何状态,棱块都是偶数个二交换的叠加结果,当然还是偶数个二交换。 上述花样的要求就是所有最远的、即相对的两个棱块交换一下,五魔方共有30个棱块,相对的棱块有15对,要做15个二交换就是要做奇数个二交换,当然是不可能的,所以上述花样是不存在的。 五魔方的换棱花样有三类: 1、设想相对的两个中心块之间有根转轴(下图中的红线或红点就是这种轴之一),棱块整体绕该转轴相对于角块-中心块整体旋转1个、2个、3个或4个72°。比如下图就是旋转1个72°:2、设想相对的两个角块之间有根转轴(下图中的绿色圆点处就是这种轴之一),棱块整体绕该转轴相对于角块-中心块整体旋转1个或2个120°。比如下图就是旋转1个120°:3、设想相对的两个棱块之间有根转轴(下图中的红色圆点处即为其一),棱块整体绕该转轴相对于角块-中心块整体旋转180°。比如:有时棱块变换花样叠加后,花样的类别会转换,比如:再比如:等等,这些转换很有趣。
3阶12棱翻转花样以及5阶、7阶、9阶等的广义12棱翻转 (虚拟魔方的屏幕截图) 复原态任何取向开始, 三阶: [(R;E;)4 x';y';]2 (R;E;)4 , (E是水平中层,转向同D,x' 和 y' 是魔方整体转,转向分别同 R' 和 U'。) 五阶: [(R;24U';)4 x';y';]2 (R;24U';)4 + [(12R;3U';)4 x';y';]2 (12R;3U';)4 , (24U是中间三层转,3U是第三层(在五阶中即中层),12R是两层转,+号表示接着做下面步骤。) 七阶: [(R;26U';)4 x';y';]2 (R;26U';)4 + [(12R;35U';)4 x';y';]2 (12R;35U';)4 + [(13R;4U';)4 x';y';]2 (13R;4U';)4 , (26U是中间五层转,35U是中间三层转,4U是七阶的中层,13R是三层转。) 九阶: [(R;28U';)4 x';y';]2 (R;28U';)4 + [(12R;37U';)4 x';y';]2 (12R;37U';)4 + [(13R;46U';)4 x';y';]2 (13R;46U';)4 + [(14R;5U';)4 x';y';]2 (14R;5U';)4 , (28U' 是第2到第8层的七层一起转;37U' 是第3到第7层的五层转;46U' 是第4到第6层的三层转;5U' 是第5层(九阶中即中层)的一层转,14R是四层转。) 更高阶的奇阶魔方的同类花样做法类推。 三阶的12棱就地翻转的公式不少,比如 ((M' U)4 x y')2 (M' U)4 , 或者 RLU2FU'DF2R2B2LU2F'B'UR2DF2UR2U(20步公式),都可以用来推到高奇阶的广义12棱翻。 比如推到五阶上:((24R U)4 x y')2 (24R U)4 ((3R 12U)4 x y')2 (3R 12U)4 。 或者: R L U2 F U' D F2 R2 B2 L U2 F' B' U R2 D F2 U R2 U 12R 12L 12U2 12F 12U' 12D 12F2 12R2 12B2 12L 12U2 12F' 12B' 12U 12R2 12D 12F2 12U 12R2 12U 。 都说三阶的12棱就地翻转状态是三阶的最远状态,那么图中五阶,七阶,九阶的状态是否各自的最远状态?我不知道,想看看魔友们的说法。
数独魔方复原初探 仅就下图这一种数独魔方的复原问题探讨一下(不用CFOP方法):只要每一面含1~9九个数字,它们并不按序排列,但同面各数字的方向要一致。 如果先复原“正看”图中的顶层,则复原中层和底层时,往往要要看“倒看”图。 其实,不看或不记这复原图,复原趣味更大,或可这样做: 先把它当作三阶空心魔方,复原好角块和棱块,最后调整中心块组。 把各块上的数字当作一个个箭头,那么,不妨记住各面的箭头方向如下图:“正看”图的顶层的角块和棱块的解几乎都是唯一的,顶面箭头同向,侧面箭头都向上:仅棱块“8/9”较特殊,它翻转不翻转,数字方向不变,但按照数独要求,应该让“8”向上。 然后复原中层的四个棱块,这四个棱块都是一个棱块上的两个数字方向是平行同向指着角块的(整个魔方只有这四个棱块如此),放在中层时要么向上,要么向下,当然应该和刚才复原好的第一层侧面的数字同向。至于中层四棱的位置布排,要按照数独的要求,在同一侧面中,别和第一层侧面的数字重复。这样,棱块3/7和棱块1/2的位置是唯一的(否则,在别的位置的话,会和复原好的第一层的侧面数字重复),余下棱块8/6和棱块5/8的位置目前可以互换,一错一对,如果错了,后面第三层就会复原不了,可考虑回头来交换棱块8/6和棱块5/8的位置,再重新复原第三层。 现在仍看上面的“倒看”图,第三层(现在的顶层)的角块和棱块上各数字当作一个个箭头的话,它们的位置和方向也几乎是唯一的,只有棱块8/2,它翻转不翻转,数字方向不变,按照数独要求,只能“8”向上,何况不可能单单翻转一个棱块8/2的。 整个第三层本身相对地复原好后,这一层整体适当旋转一下,使得第三层的每条侧面的三个数字和下两层的的角块、棱块上的数字,不违反数独要求即可。 至此,每一面的角块和棱块上的数字都不违反数独要求了,数字方向也一致了。 最后视需要可用六面换心或四面换心方法调整各中心块的位置,使得每一面1~9九个数字没有重复,再看需要转正有些中心块的方向。
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