Lección
La teoría — Invariantes
Un invariante es una cantidad que ningún movimiento permitido cambia. Si tiene un valor al principio y un valor distinto en el objetivo, el objetivo no se puede alcanzar, se intenten los movimientos que se intenten, y no hay que buscar nada para saberlo.
Qué significa cada símbolo
I- el invariante: aquí la paridad del recuento de inversiones, la diferencia entre casillas negras y blancas, o el número de masas de tierra con un número impar de puentes
d(v)- el grado de una masa de tierra v: cuántos puentes terminan allí
De dónde viene la fórmula
- Por qué un deslizamiento mantiene la paridad. Lee las ocho fichas fila por fila, ignorando el hueco. Un deslizamiento lateral no cambia ese orden de lectura en absoluto. Un deslizamiento vertical mueve una ficha tres posiciones a lo largo del mismo, pasando por las dos fichas entre su antigua casilla y la nueva. Cada uno de esos dos pares gana o pierde una inversión, por lo que el recuento cambia en −2, 0 o +2, nunca en un número impar. Resuelto tiene 0, por lo que una posición con un recuento impar no se puede alcanzar. Que toda posición con un recuento par se pueda alcanzar es la mitad más difícil: para el juego del 8 la búsqueda de la página lo muestra directamente.
- Por qué un dominó mantiene la diferencia. En un tablero de ajedrez los vecinos de toda casilla son del otro color, por lo que un dominó, que cubre dos casillas vecinas, cubre una negra y una blanca. Poner dominós, por lo tanto, nunca cambia las negras menos las blancas entre las casillas descubiertas. Un cubrimiento terminado no deja nada descubierto, una diferencia de 0, por lo que necesita una diferencia de 0 al principio: tantas casillas de un color como del otro.
- Por qué como máximo dos masas de tierra impares. Sigue el recorrido. Cada vez que pasa por una masa de tierra llega por un puente y se va por otro, de forma que los puentes en una masa de tierra se usan en pares, salvo en el inicio, donde uno se usa saliendo, y en el final, donde uno se usa llegando. Si el recorrido acaba donde empezó, toda masa de tierra tiene un número par de puentes; en caso contrario, exactamente el inicio y el final tienen un número impar. Lo recíproco también se cumple cuando los puentes conectan todo, y la página encuentra el recorrido construyéndolo en bucles y empalmándolos.
Problema resuelto al detalle
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¿Podría alguien ganar los 1.000 $ de Sam Loyd? 4 pasos
En el tablero de 4 × 4, intercambia solo 14 y 15 y deja el hueco en su esquina. Sam Loyd ofreció 1.000 $ a cualquiera que pudiera deslizarlo hasta resolverlo. ¿Se podía hacer?
Abre este problema en la herramienta
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En el tablero de 3 × 3 de esta página, el invariante era la paridad del recuento de inversiones:
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En un tablero de cuatro casillas de ancho, un deslizamiento vertical hace pasar una ficha por delante de otras tres, por lo que el recuento cambia en un número impar, y el hueco cambia de fila:
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Todo deslizamiento invierte ambas paridades o ninguna, por lo que su suma, tomada mod 2, nunca cambia:
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Compara las dos posiciones, con el hueco en la fila 4 en ambas:
Respuesta
Nadie podía ganarlo: el intercambio se encuentra en el lado equivocado del invariante. Exactamente la mitad de las disposiciones de 16!, 10.461.394.944.000, se pueden alcanzar desde la resuelta. Pulsa 7 y 8 intercambiados para ver la versión de 3 × 3 de la misma trampa.
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Ruta de aprendizaje
Métodos de demostración
Referencias (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.