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如何利用群论的知识解决三阶魔方?优质

747次浏览| 2022-07-30 03:50:28 更新
来源:互联网
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HTM法,也就是人类用Thistlethwaite算法,(西斯尔思韦特,可能是这么读的...)

原文: Thislethwaite Method 识破天 整理

另一个版本: 降群法详解 - ★ 其他速解法 (Other Methods) - 魔方吧•中文魔方俱乐部

英文原文: Human Thistlethwaite Algorithm

阅读需要魔方基本公式的基础, 不需要群论基础.

Thistlethwaite Method 最初是计算机用来解魔方所用的步骤。

过程中只是在调整块与块之间的全局关系,魔方始终是乱的,没有一个面被还原,只在最后一步,寥寥几下转动,整个魔方被复原。

Thistlethwaite Method 降解子群的四个步骤:

G0=<U,D,L,R,F,B> ,

G1=<U,D,L,R,F2,B2>,

G2=<U,D,L2,R2,F2,B2>,

G3=<U2,D2,L2,R2,F2,B2>,

G4=<I> (还原态)

普通解法是通过逐块还原来减少下一步剩余块的排列数,最后所有块还原。

Thistlethwaite方法(TM)则与此有本质的不同。

魔方的任何一种块排列状态与魔方群的群元素是一一对应的。

TM的思想就是逐步降解魔方所处的群到更小的子群,最后到单位子群,也即还原状态。

所以在还原的每一步实体魔方看起来还是乱的,但实际上状态数是随所处的群的减小而规则的减小的。

考虑到有些朋友不熟悉群论的语言,我就加个形象点的解释帮助理解。如果魔方通过<U,D,L,R,F,B>六个基本动作打乱,那么它的混乱状态可以达到最大,有10^20次方种。

但假如我只用<U2,D2,L2,R2,F2,B2>来打乱魔方,显然魔方没有前一种情况乱,只有60万种。

极端一点的,我只用R转动打乱魔方,那么魔方就只有四种混乱状态。

上面这个逐步降解到子群的过程,就是把魔方由最大打乱状态一步一步的变到更小的打乱状态,最后达到复原状态。

Phase 1 对好所有楞块方向

从G0到G1有个缩小因子2,048(2^11),它表示在这一步魔方状态数减少了2048倍。

楞块有2^11种朝向,这一步就是调整楞块到某一种朝向模式。

原因是,若要翻转一个楞块,必须利用到FRU三个正交转动的组合,但是经过Phase1调整后,不能有F操作(只能有F2),所有楞块方向不能再翻转。所以才有下面这个定义:

定义:如果能通过转动群<U,D,L,R,F2,B2>使得某个楞块还原,那么这个楞块朝向就是好的。反之则是错的.

Phase1就是将所有朝向错的楞块变好。

方法很简单,首先找到所有朝向错误的楞块,然后把四个朝向错的楞块通过<U,D,L,R,F2,B2>转动移到F面(或者B面)上来,做一个F转动,这四个则变为好的。

如果只有两个错的,把其中一个移到F面,做一个F转动,这个错的变为对的,F面上另三个对的变为错的。

这样就凑足了四个错的,用上述方法调正。

下面为了叙述方便,我把魔方放置为:顶层黄色,底层白色,左面蓝色,右面绿色,前面红色后面橙色。

我把黄色白色合称YW色,蓝色绿色合称BG色,红色橙色合称RO色。

说道某个面是YW色时就指这个面上可以有黄色白色两种颜色。说到某个块的贴片是YW色时就是指这个贴片可以是黄色也可以是白色。

其他类推。

有人发了一个YouTube的视频,看不了的话可以去bilibili看这个

看名字感觉原理是类似的。

,虽然不需要群论基础也能看懂,不过了解群论的话,你就知道按照他的方法批量生产出来的公式(操作),恰好就是魔方群的commutators(视频中也有提到)。

1.构造这些commutators的原因是其在魔方上的作用是简单的(往往就是只交换某两块)。

2.然而利用这些简单的commutators可以还原任意被打乱魔方,数学上需要证明这些commutators可以生成整个魔方群。

但上面两点也只是经验之谈,严格的证明,或者还需要其它什么限制条件,则需要了解魔方群的同学来做了。

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