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关于数独的文化史和一些数学问题

好玩的数学  · 公众号  · 数学  · 2017-05-26 08:30

正文


数独(Sudoku),一种起源于日本、流行于欧美的数字游戏。 虽然进入中国内地的时间不久,但已经占据了很多媒体的游戏版面,吸引越来越多的玩家投身数字的迷宫。不过数独爱好者们可能不知道,这个小游戏的雏形,却是一个让数学家伤透脑筋的问题。即使在今天,还有众多研究人员为弄清楚数独背后的规律而绞尽脑汁。



即使是天使也会为数学问题苦思冥想。德国名画家丢勒的这幅木刻画《忧郁症》(Melencolia)描述的就是一个因为数学患上忧郁症的天使。让画中天使牵挂的就是墙上挂着的数字迷宫,横向、纵向、对角线数字的和都是34,在最下面一行的中间两格,画家自娱地留下了创作年代1514。


1 欧拉与拉丁方


作为数学史上最传奇、最多产的大师之一,瑞士数学家欧拉(LeonardEuler,1707—1783)在18世纪研究了一种有趣的数字方阵:考虑一个阶数(亦即行数和列数)为n的方阵,在小格里填入n种符号或数字,在每一行/列中,每一个符号出现且仅出现一次。这种方阵源自中世纪的格盘游戏,其求解过程可归结为 “染色问题”——一个数学中最古老的问题之一 。因为最初随手填入方阵内的是一个个拉丁字母,欧拉将这样的方阵命名为拉丁方(Latin Square)。拉丁方在实验设计、数据检验和幻方构造等领域应用极广。



很容易发现,数独其实正是一种特殊的拉丁方。惟一不同的是,数独加上了一个额外的条件: 在每个小九宫格的区域内,每个数字同样出现且只出现一次。


2 终盘的可能性


通常将一个完成了的数独题目称为终盘。在数独游戏风行后,人们很快便希望知道这个游戏究竟存在多少个终盘形式。对此,德国数学家BertramFelgenhauer在2005年给出了答案:数独的最大可能终盘数为6,670,903,752,021,072,936,960种。



Felgenhauer的算式为9!×722×27×27,704,267,971,最后的数字是一个大质数。虽然这个天文数字已经足够惊人,但考虑到作为一种特殊限制的拉丁方, 数独终盘的可能性只是可能存在的九阶拉丁方数目的0.00012%!



另一个方面,考虑到数独游戏的初始数字对称要求,以上结果可能有相当程度的重复,亦即其终盘结果会出现大量的雷同。据此,英国数学家FrazerJarvis和EdRussell给出了更准确的不同终盘数:5,472,730,538。这样一来,有志于破解所有数独题目的玩家又看到了希望的曙光,担心游戏被穷尽而没有游戏可玩的爱好者也不必焦虑:毕竟这个数目和地球人口一样多。


3 最小初盘问题


与终盘相对应,一个数独游戏给出的初始条件称为初盘。


一般常见的初盘数字个数在22—28之间,而数独爱好者们常问的一个问题是:最少给出多少个数字,数独游戏才确保有惟一解?具体地说: 最少需要在初盘中给出多少个数字,使得移除其中任何一个数字该数独游戏便没有惟一解。



事实上,这个问题是数独中最有数学趣味的问题之一,并且长时间以来未得到解决。但当时数学家们估计,这个数字很可能是17。17个数字的最小惟一解初盘是由一名日本数独爱好者提出的。澳大利亚数学家GordonRoyle已经收集了36628个17个数字的惟一解初盘,而爱尔兰数学家Gary McGuire则致力于寻找16个数字的惟一解初盘,但至今仍无发现。部分数学家开始退而求其次,转而寻找只有两个解的16个数字初盘。


统计学家根据一个统计学原理曾随机地构造了大量17个数字的初盘,发现其中有惟一解的初盘只有数个未被GordonRoyle教授发现,这意味着,最小惟一解初盘问题的最终答案可能正是17。因为从理论上说,如果16个数字的惟一解终盘存在,那么每一个必将引起65个17个数字惟一解终盘的增加,而在研究中至今没有观察到这一效应。


2012年一位爱尔兰数学家利用一套极为复杂的运算法则以及数亿小时的“超级计算”,解决了数独运算中的一个重要的开放问题。


都柏林大学学院的GaryMcGuire于1月1日在互联网上贴出了自己的证明——完成一次数独所需的最小提示数(或起始数)是17;而16个或更少的线索则无法得到唯一解。


在1月7日于美国波士顿市召开的一次会议上,数学家们就此达成了共识,McGuire的证明很可能是有效的,并且是发展中的数独领域的一项重要进展。



弗吉尼亚州哈里森堡詹姆斯•麦迪逊大学的数学家Jason Rosenhouse是一本即将出版的数独算法书籍《严肃看待数独:全球最流行的铅笔游戏背后的数学》的作者之一,他认为: “这一方法是合理的,并且似乎是可靠的。对此我持谨慎乐观的态度。”


McGuire和他的研究小组花了两年时间来测试这一算法——他们在都柏林的爱尔兰高端计算中心耗费了约700万个CPU小时,利用“打集合算法”来寻找可能的方格。同样利用不同算法证明17个线索的数独的佩斯市西澳大利亚大学的数学家Gordon Royle表示: “做到这一点的唯一现实办法就是这种强力的方法……这是一个极具挑战性的问题,它可以激发人们将计算与数学方法推向极限,就像在攀登最高的山峰。”


McGuire表示,他的方法还可能在其他领域产生作用。这种“打集合算法”已经被用于基因测序分析和蜂窝网络的论文中,McGuire期待它能够被更多的研究人员所利用。他说:“希望这种算法能够激发更多的兴趣。”


4 最大初盘问题


与最小初盘问题相反,人们还可以提出最大初盘问题。


也就是说:在一个数独初盘中,最多能给出多少个数字,使得再增加一个数字该问题便只有惟一解。



相对于最小初盘问题,最大初盘问题容易解决得多。 采用倒推法,在初始数字为80的情况下无需说明,缺啥补啥即可; 在初始数字为79的初盘中也大约如此,因为考虑到必须满足每一个小九宫格内每个数字出现且仅出现一次,这意味着所缺少的数字都必须出现在同一个九宫格内,考虑到这个情况,还可以依次推出78的初盘也有惟一解。但当初盘中给定数字变为77的时候,该数独游戏便会出现两解的情况。


5 数字游戏传播史


“数独”可以被定义为一种逻辑智力拼图游戏,也可以被称为“数字游戏”。顾名思义,“数独”可以理解为一组独立的数字,将这组数字以一定的规则组合在一定区域内,便是数独游戏的主要内容。


具体地说,拼图是大九宫格(即3格宽×3格高)的正方形状,由9个小九宫格组

成。游戏的目标是在每一个小九宫格中,不重复地填上1至9的数字,让整个大九宫格每一列、每一行的数字都不重复。一般而言,一条数独题会给出1/3左右的数字作为初始条件,剩下的2/3空白处由读者完成。


也许正是因为规则简单,所以数独才能迅速风靡世界。既然玩数独游戏无需数学运算或证明,似乎完全可以将其称为“数字游戏”。


Nikoli是所有数独爱好者需要感谢的第一个名字







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