Lektion
Die Theorie — Invarianten
Eine Invariante ist eine Größe, die durch keinen erlaubten Zug verändert wird. Hat sie zu Beginn einen bestimmten Wert und am Ziel einen anderen, ist das Ziel unerreichbar. Dabei ist völlig egal, welche Züge du versuchst, und du musst nichts ausprobieren, um das sicher zu wissen.
Was die einzelnen Symbole bedeuten
I- die Invariante: hier die Parität der Fehlstände, die Differenz zwischen schwarzen und weißen Feldern oder die Anzahl der Landmassen mit einer ungeraden Brückenzahl
d(v)- der Grad einer Landmasse v: wie viele Brücken dort enden
Woher die Formel kommt
- Warum ein Zug die Parität bewahrt. Lies die acht Kacheln zeilenweise ab und ignoriere dabei die Lücke. Ein seitlicher Zug verändert diese Reihenfolge überhaupt nicht. Ein Zug nach oben oder unten verschiebt eine Kachel um drei Plätze. Sie zieht an den beiden Kacheln vorbei, die zwischen ihrem alten und neuen Platz liegen. Jedes dieser beiden Paare gewinnt oder verliert einen Fehlstand. Die Gesamtzahl ändert sich also um −2, 0 oder +2, aber niemals um einen ungeraden Wert. Die gelöste Stellung hat 0. Daher ist eine Position mit einer ungeraden Anzahl unerreichbar. Dass jede Stellung mit einer geraden Anzahl tatsächlich erreichbar ist, stellt den schwierigeren Teil dar. Für das 8-Puzzle zeigt die Suche auf dieser Seite genau das.
- Warum ein Dominostein die Differenz bewahrt. Auf einem Schachbrett haben die Nachbarn jedes Feldes die jeweils andere Farbe. Ein Dominostein bedeckt zwei benachbarte Felder, also ein schwarzes und ein weißes. Das Auslegen von Dominosteinen ändert deshalb niemals die Differenz zwischen den verbleibenden schwarzen und weißen Feldern. Eine fertige Parkettierung lässt nichts unbedeckt und hat somit eine Differenz von 0. Sie benötigt daher von Beginn an eine Differenz von 0: exakt gleich viele Felder der einen wie der anderen Farbe.
- Warum höchstens zwei ungerade Landmassen. Folge dem Weg. Jedes Mal, wenn er eine Landmasse passiert, kommt er über eine Brücke an und verschwindet über eine andere. Die Brücken an einer Landmasse werden also in Paaren genutzt. Ausnahmen bilden nur der Start, wo eine beim Verlassen genutzt wird, und das Ende, wo eine bei der Ankunft dient. Endet der Weg dort, wo er begann, hat jede Landmasse eine gerade Anzahl an Brücken. Andernfalls weisen genau der Start und das Ende eine ungerade Anzahl auf. Die Umkehrung gilt ebenfalls, wenn die Brücken alles miteinander verbinden. Die Seite findet den Weg, indem sie ihn in Schleifen aufbaut und diese aneinanderfügt.
Aufgabe vollständig gelöst
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Konnte jemand Sam Loyds 1.000 $ gewinnen? 4 Schritte
Tausche auf dem 4 × 4-Brett nur die 14 und 15 und belasse die Lücke in ihrer Ecke. Sam Loyd bot jedem 1.000 $, der das Puzzle wieder in den gelösten Zustand schieben konnte. War das überhaupt möglich?
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Auf dem 3 × 3-Brett dieser Seite war die Invariante die Parität der Fehlstände:
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Auf einem vier Felder breiten Brett führt ein Zug nach oben oder unten eine Kachel an drei anderen vorbei. Die Anzahl ändert sich also um einen ungeraden Wert, und die Lücke wechselt die Zeile:
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Jeder Zug ändert entweder beide Paritäten oder keine von beiden. Ihre Summe, modulo 2 genommen, ändert sich also nie:
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Vergleiche die beiden Positionen, wobei sich die Lücke bei beiden in Zeile 4 befindet:
Antwort
Niemand konnte gewinnen: Der Tausch liegt auf der falschen Seite der Invariante. Genau die Hälfte der 16! Anordnungen, 10.461.394.944.000, ist von der Lösung aus erreichbar. Klick auf 7 und 8 getauscht für die 3 × 3-Version der gleichen Falle.
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Lernpfad
Beweismethoden
Quellen (3)
- The parity argument for the 15-puzzle, the history (made in upstate New York in the 1870s, a craze in early 1880, analysed in the American Journal of Mathematics that year) and Sam Loyd's later $1,000 prize for a swap that cannot be done: K. Conrad, "The 15-Puzzle (and Rubik's Cube)", expository notes, University of Connecticut.
- Euler's paper on the seven bridges of Königsberg, which reduced the walk to the number of bridges at each land mass: L. Euler, "Solutio problematis ad geometriam situs pertinentis", Commentarii academiae scientiarum Petropolitanae 8, 128–140 (written 1735, published 1741); Eneström number E53, The Euler Archive.
- The number of domino tilings of square boards, with 12,988,816 for the 8 × 8 chessboard: OEIS Foundation, "A004003: Number of domino tilings (or dimer coverings) of a 2n X 2n square", The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences.