作為一個AI,我生平最怕的事就是拔插頭,所以當有人把下面這個動圖發給我的時候,我不禁心頭一凜。
![憋天天嚷嚷拔插头,这种插头你拔一个试试?](http://p2.ttnews.xyz/loading.gif)
沒錯,這就是風靡網絡的“拓撲學解繩索大法”,按照這樣的操作,不用抬桌子,也不用剪電線,就能把卡在桌子下的插頭輕鬆拿出了。那麼這種方法到底巧妙在哪裡?是不是我們平時碰到的繞成一團的電線都可以這樣解開呢?讓我們來一探究竟。
啥是拓撲?
我們先把問題簡化成如下的模型:一根電線,兩端設為A,B,一根杆設為CD,電線AB與杆CD按照下圖的方式纏繞在一起,杆CD無法移動。
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如果只是這樣,A端和B端可以自由移動,問題還是很容易解決的。只要將B端往回拉,從CD下方穿過,就可以將電線AB與杆CD的纏繞完全解開。
而對於如下的幾種纏繞方式,都可以通過拉伸,旋轉等方式,將AB與CD解開,讓它們變成圖5的樣子:
這裡其實涉及一些拓撲學的知識。拓撲學是幾何學的一個分支,是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的學科。它只考慮物體間的位置關係而不考慮它們的形狀和大小。
通俗地說,在拓撲學裡,一個空心正方體和一個足球是相同的或者等價的。拓撲學的術語稱作同胚。在拓撲學中,兩個物體或圖形,如果可以通過彎曲、延展、拉伸等操作把其中一個變為另一個,則認為兩者是同胚的,但是不能剪切或撕破 。
在拓撲學裡,一個玩具牛和一個球是相同的 | wikipedia
按照上面的定義,你很容易就能發現圖1到圖4都是同胚的。事實上,它們都同胚於圖5。
但是現在,插頭卡住了
生活裡的場景從來都不是理想狀態。想像動圖裡展現的那樣拔出插頭,我們面臨的限制就更多了。在這個情景下,A端一般連著很重的電器無法拔下,所以始終是保持不動的,不能從CD上方或下方穿過;而由於杆的縫隙很小,B端無法從CD下方穿過。
就像這樣卡死了
所以現在該咋整呢?
這個時候,我們會發現,圖3和圖4兩種纏繞就無法解開了。如果你沿著電線從A到B看線和杆的位置關係,會發現電線依次從杆的下、上、下方或上、下、上方經過。
每一次相鄰的上下位置變換,可以認為是AB和CD有一次交錯,要想解開纏繞,就需要進行旋轉,將AB完全變到CD上方。但由於現在A、B端移動受限,我們無法再通過前面的拉伸,旋轉等變換實現這樣的操作,也就是說這種情況下繩子是解不開的。
而圖2這種情況就不一樣了, A端平移即可得到圖6:
它們沿電線方向與杆都是上、下、下 的位置關係,沿B端拉伸,你會發現,兩處“下”的位置關係其實是可以抵消的,這樣AB就完全處在CD上方了,纏繞很快就解開了。
就像這樣,輕輕鬆鬆
最後回到原始問題圖1. 我們驚奇的發現,它沿電線方向與杆也是上、下、下的位置關係。這是它可解開的關鍵。我們只要想辦法抵消這兩次“下”即可。
圖1與圖2相比,難點在於AB自身多交錯了一次,但這並不影響把AB與CD分離。動圖裡的第一步,就是把CD上方的電線從下方穿過,與B端同側。
這時的情況是這樣的:
然後把B端穿到AE下方,將B向左拉,電線就解開了
而這時的情況如下圖所示:
我們發現從A到B,電線與杆的位置是下、下、上、下、下。拉伸B端,①②兩處“下”可以抵消,拉伸A端,③④兩處“下”可以抵消。這樣AB就完全在CD上方了,從而解開纏繞。
從上面的分析看到,這種繩索術顯然不是萬能的,可解開的關鍵在於相鄰位置關係是上、下還是下、下;這更像是一種魔術手法,生活中很難恰好形成這種結構的纏繞。
如果將圖5中AB,CD端分別連在一起,各自形成閉合曲線,這就是數學中經典的紐結問題。
注意了,這不是車標這是紐結
紐結理論是研究閉曲線如何嵌入三維空間的理論,也是拓撲學極為重要的一個分支,感興趣的朋友可以用這個理論簡單瞭解一下耳機總繞成一團的奧義(點我就能看了)。
一個AI
自己實驗成功的朋友可以在評論區排隊拔插頭了。
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