一道怪怪的數學題

2021-04-09 11:05:40 字數 2533 閱讀 2452

如圖1(其中一種初態),乙個4×4的棋盤,上面有1~15共15個數字和乙個空格(用◎表示),要求利用空格移動棋子把他們排成圖2的形式(目標狀態)。 

10 1 11 14                     1  2  3  4 

2  3 ◎  5                       5  6  7  8 

8  9  4 15                      9  10 11 12 

12 13 6  7                     13 14 15 ◎ 

(圖1)                            (圖2) 

問題: 

現有一函式f(x),x表示格仔的編號(編號與圖2類似,◎處為16號),f(x)的值表示從第x+1格到第16格中,較x格中的棋子的號碼小的棋子個數。例如,圖1中,第8格的棋子是5,故f(8)=1,同理f(14)=2。對於空格◎,定義為比任何棋子都大,如圖1中f(7)=9。又如,圖2中,f(1)=f(2)=...=f(16)=0。 

設空格位於棋盤上第i行第j列(如圖1,i=2,j=3)。 

求證: 

對於乙個給定的初態,如果: 

16 ∑f(x)+i+j 

x=1 

和是偶數,則該初態可變換成目標狀態,否則,其他任何初態都不可能變換成目標狀態。 

///結論0:

若某種初態能夠變換為圖2的排列,則∑f(x)+i+j 是偶數。

證明:考慮空格◎朝上、下、左、右四個方向移動的時候∑f(x)+i+j的變化量: 

左、右:變化量為0; 

上:設◎的格號為k,格號為k-1,k-2,k-3的格仔中有m個數大於格仔k-4中的數, 

則此時的變化量等於2*m; 

下:設◎的格號為k,格號為k+1,k+2,k+3的格仔中有m個數大於格仔k+4中的數, 

則此時的變化量等於-2*m; 

每種情況變化量都是偶數。 

由於最終的目標狀態的∑f(x)+i+j=8是偶數,所以結論0成立。 

結論1:

在下面的2x3**中i,j可以互換位置,其中◎可在任意乙個x處。

i

x

x

j

x ◎

證明:

i

x

x

j

x ◎

i

x

j

x

x

j

i

x

x

x

j

x

x

i

x

x

j

x

i

x

x

j

i

x

x

x

i

j

x

x

i

j

x

x

x

j

x

i

x

x

得證!由結論1,便可以得到:

結論2:

在2x3的**中,任意兩個數都可以按指定順序移到邊上的兩個格中。

證明:1.若這兩個數在表中相鄰,則首先利用空格子將它們拉到邊上,如果順序正確,即為所求;若不正確,利用結論1,調換位置。

2.若這兩個數在表中不相鄰,則首先利用空格子讓它們相鄰,然後同上。

結論3:

對於4x4的**,通過適當的移動,肯定能得到下列兩種結果狀態之一:

(1). 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

(2). 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1513

14 12◎

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