九連環 九連環中的數學原理

2021-10-25 13:10:03 字數 1035 閱讀 5784

九連環作為我國民間玩具,以金屬絲製成9個圓環,將圓環套裝在橫板或各式框架上,並貫以環柄。遊戲時,按照一定的程式反覆操作,可使9個圓環分別解開,或合而為一。「九連環」現已成為一種國際性的益智遊戲,國內外都有學者在研究,拆解九連環的過程中也蘊含著一些數學原理。

2. 如圖二所示,如果某乙個環在上面的環杆上,而它前面所有的環都在下面的環杆上,那麼這個環的後乙個就可上也可下。這也就是說,如果我們想把第n個環卸下,那麼第n-1個環要留在上面的環杆上,而第n-1個環前面的所有環都要在下面的環杆上。

3. 每次只能解下或裝上乙個環。

由以上可知,如果我們解下第九個環,我們就要把第八個環放到上面的環杆上,而把前七個環放到下面,進而把拆解「九連環」轉變為拆解「七連環」。我國古代也有拆解九連環的口訣:「上倆下乙個,再動後乙個;上乙個下倆,再動後乙個」。而九連環的拆解方法就涉及到了「數列」這一數學原理:

我們假設環的數量為n,記解開n連環所需的總步數是sn,解下每個環的步數為an;根據第二個原理我們可以推出,如若要卸下第n個環,就需要先卸下前n-2個環,其總步數就為sn-2,這時再需要一步就可以把第n個環解下;而為了解下第n-1個環,還需要把前面的n-2個環套上,裝上前n-2個環就需要sn-2步(因為裝上和卸下的步驟正好相反,所以步數相同),所以卸下第n個環需要an=2sn-2+1步。因此,解開九連環所需要的步數就是一道數列題:「已知s1=1,s2=2,an=2sn-2+1,求sn(n≥3)。」

熟悉九連環的人解開處於原始狀態下的九連環所需的時間大概是6分鐘左右,解開11連環則需24分鐘左右,以此類推,如要解開17連環就要一晝夜以上,這不僅僅是在解環,也是在挑戰自身的極限。這也就是九連環自誕生之後,雖然步驟簡單卻可以在民間廣為流傳,盛行不衰的原因吧。

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