數學上旋轉180°究竟有多難?這個坑至今無人能填……

生活中的旋轉


將一個圖形旋轉很難嗎?


真的不難,利用各種繪圖工具都能輕鬆實現,不要說180°,任意角度都可以,當然還可以製作成動畫。


稍微難點的,比如將身體旋轉180°,也有人做到了……

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這不科學啊,感覺思想被掏空……

數學上旋轉180°究竟有多難?這個坑至今無人能填……

誠然,將一行數字旋轉180°也是SO EASY的


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增加點難度

有n個盒子,從左至右依次編號為:1、2、3、……、n-1、n,每個盒子裡有兩個球,第1個盒子裡是編號為n的小球,第二個盒子裡是編號為(n-1)的小球,第三個盒子裡是編號為(n-2)的小球……第n個盒子裡是編號為1的小球。

要求:每次取相鄰盒子裡的兩個小球互換位置,那麼最少經過多少次變換,才能將標有編號的小球全部放入相對應的箱子裡?

即將數字:nn、(n-1)(n-1)、……、33、22、11,至少經過多少次變換,轉化為:11、22、33、44、……nn

一看到數學上的n就會想讓它……

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我們從n=2開始研究,

這個很簡單,將22、11變成11、22,

22、11→21、21→11、22,兩次即可;


數學上旋轉180°究竟有多難?這個坑至今無人能填……

下面是n=3時,


這個也不難,33、22、11→31、22、13→11、22、33,

哈哈,同樣的兩步之內完成……


數學上旋轉180°究竟有多難?這個坑至今無人能填……

有小夥伴說:哦!我知道了,根據數學歸納法,兩步即可完成……

事情沒有那麼簡單,


我們跳過簡單的n=4,來到n=5,


將55、44、33、22、11變換成11、22、33、44、55,每次交換其中的兩個數,小夥伴們可以試一下……


有人會這樣想:一共10個球,是不是需要交換2×10=20次呢?


事實不是這樣的,只需要15次即可。


55、44、33、22、11

→54、54、33、22、11

→54、43、53、22、11

→54、43、32、52、11

→54、43、32、21、51

→54、43、21、32、51

→54、31、42、32、51

→41、53、42、32、51

→41、32、54、32、51

→41、32、42、53、51

→41、42、42、31、55

→41、42、21、43、55

→41、21、32、43、55

→11、42、32、43、55

→11、22、43、43、55

→11、22、33、44、55


數學上旋轉180°究竟有多難?這個坑至今無人能填……


又是一個大坑!數學太難了!


分析


一看看去似乎覺得不可思議,仔細一想,有道理在裡面的,我們將左邊盒子中數字大於右邊盒子中的數字,稱為“逆數對”。

如果兩個不同的數在一個盒子裡,我們稱為“半逆數對”。


假如某一步我們將:AB、CD變換成了AC、BD,最好的情況是BC這一個逆序對徹底消除,同時AC、BD兩個逆序對也消除了一半,AB、CD也消除了一半的逆序對,也就是說:最好的一步最多隻能消除3個逆序對。


按照這一分析,我們發現:n個盒子中共有2n個小球,逆數對的個數共有:


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個逆數對,自然至少共需要步數為:


數學上旋轉180°究竟有多難?這個坑至今無人能填……

即可完成。


這個公式驗證了n=5時,最少需要15步的情形,依次類推,n=6時,最少的步數應該是22步。

然而,經過計算機的計算,n=6時沒有23步是不可能達到的,於是,這個問題又被挖了一個坑,這個坑還暫時未被填補上。

數學上旋轉180°究竟有多難?這個坑至今無人能填……





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