浅谈魔方中的数学思想

浅谈魔方中的数学思想

学生姓名：之花127

一、引言

魔方是一种休闲益智玩具.生活中人们所熟知的魔方(Rubik’s cube)是匈牙利布达佩斯建筑学院鲁比克(Rubik)教授于1974年发明的教学道具.这种方魔(Rubik’s cube)是由333

⨯⨯个块方的成组, 个每块方都能绕心中转意任向方的体方立.总来的说,方魔的法玩就是转动魔方令其上每个面的方块颜色一致(还原)或排列组合出有规律的图案.魔方转动一次相当于魔方一层上所有的方块(有限元素)进行了一次数学意义上的变换.所以,魔方的构造与操作过程中蕴含着一定的数学思想.简而言之一些数学思想比如变换、坐标、组合等都可以在魔方上找到现实具体的运用.

二、魔方的基础知识

（一）魔方的历史与结构

生活中人们所常见的魔方(Rubik’s cube)是匈牙利布达佩斯建筑学院鲁比克(Rubik)教授于1974年设计的教学道具.这种魔方是由333

⨯⨯个方块组成的,每个方块都能绕中心转任意方向的立方体.经过近40年的发展,原始的传统意义上的魔方已经创造性的衍生出了由方块组成的各个方向都能够转动的多种多样的几何体魔方玩具.在外形设计的角度,传播最早的魔方(Rubik’s cube)也可以称作三阶立方体魔方,继相有还阶二、阶四、阶五等种多数阶的体方立方魔,目前络网上一方魔者好爱计设并造制了高最的阶十七体方立方魔(2011).除体方立方魔外之有还它其体面多方魔和型异方魔.设计各种外形的几何体魔方时使其各个组成部分具有良好的旋转性是基本要求.这就使得魔方的内部结构的设计丰富多样、精简巧妙.

1.阶

从外形设计来看,立方体魔方每条棱上方块数目就是该魔方的阶数.因此,生活中人们普遍见到玩赏的方魔可称作阶三体方立方魔.

最初魔方在作为增加学生空间方位感觉的教学道具设计时,魔方发明人Rubik教授考虑到从数学思维角度来说,222

⨯⨯(即二阶立方体魔方)理论上是外形结构最简单的体方立魔方,然而在过经验实后作操现发他,在械机计设的度角上虑考话的,333

⨯⨯魔方在部内造构上是最易容现实块方各度角转旋并备具最单简械机构结的体方立魔方.

2.轴中心块棱块角块

如图1所示，在拆开三阶立方体魔方后,可以观察到它的内部构造.一个以可各向方动转的项六头接在处的魔方的心中.其上个六头接是即方魔的轴.一个块方分别用螺丝、垫片、弹簧固定在每个接头,这个方块称为中心块.所以从内部构造的度角阶三方魔被也作称阶三轴六魔方.

六个中心块被固定在魔方的六个轴上,而同一面上的四个中心块可以绕垂直

或.所以中心块之间的相互位置不会在转魔方过程于这个面的两个轴旋转90180

中改变.综上,块心中的色颜以可定确它面在所的色颜,这就示表在面该它其块方的色颜的断判上以应块心中的色颜为准基.

图

1

实际上,魔方是由333126

⨯⨯-=个方块（除去中心的一块）组成.除了以上所说的6个中心块以外,其它20个方块中:12个方块是两个面涂有颜色,它们的正确位置和朝向将由两个中心块决定,称之为棱块;8个方块有三个面涂有颜色(以下把涂有颜色的面称为有色面),它们的正确位置和朝向由三个中心块决定,称之为角块.如图1在计设上块棱和块角都有具出突的脚小,块棱的侧两有都装弧的口缺,这些脚小和口缺与都块心中扣紧在一起.这样棱块和角块就能够随着所在层的转动而向各个方向转动,并且紧扣在中心块上而不会在转动时从魔方上脱落. （二）魔方的玩法

魔方的作操,即针时顺或针时逆动转魔方的某层一或层两90,180,270,360.作操单简得使玩方魔起来看易容.不过玩过的人都明白玩魔方并不容易,而且玩魔方需要记忆一些步骤.对大部分人来说初始接触的魔方都是三阶魔方,它有正方体的外形,6个面上都有9个有色块.大体上而言使每个面的有色块的颜色都相同是玩魔方的游戏目标,也就是还原魔方.自然的,各个有色块是组成魔方的方块的一部分.实际操作魔方,即转动魔方的过程中,方块之间能够互换位置或者方块自身会变换朝向.事实上,Rubik教授在制造出世界上第一个魔方后随意转动之后想要还原魔方就花费了三个多月的时间.还原魔方的困难之处就在于:移动一个方块时伴随着其它多个方块的移动(中心块除外).在还原的初始阶也许这构不成较大的困难，然而随着多数方块达到正确的位置,这时新的转动必然会使这些方块离开正确的位置,如何在转动中不断还原已完成好的部分是个难题.在学数的域领就应对着有元限的换变和逆换变问题.

今当的方魔是一种不仅闲休的力智具玩,玩方魔更展发为成了技竞动运.为作技竞动运的魔方法玩富丰样多.种各魔方玩的界世录记不断被新刷,如快最原还魔方录记者持保为生出于亚利澳大岁18Feliks Zemdegs,他的最快记录为6.77秒(2010年).魔方的种类除了传播最早的魔方(Rubik’s cude)也可以称作三阶立方体魔方,相继还有二阶、四阶、五阶等多种阶数的立方体魔方, 前目络网上些一魔方者好爱计设并造制了高最的阶十七体方立魔方.除体方立魔方外之有还它其体面多魔方和型异魔方.魔方的数轴、向轴、数阶、状形在魔方者好爱断不试尝与造创中得变富丰彩多.

三、魔方中的数学思想

（一）排列组合的思想

“意随的动转魔方使魔方的面个六原还能可吗?”通过魔方旋转其上的色块一共可以组合出多少种图案,利用组合的数学思想,我们可以得到魔方可以变换812

8!312!243,252,003,274,489,856,000322

⨯⨯⨯=⨯⨯种案图.首先,易容到想果如动不转魔方层间中,魔方的个六块心中的置位会不变改,相对的旋转上下两层相当于旋转中间层.通过这种方式可以固定魔方的空间位置,即立建一个间空系标坐.其次,在这个系标坐中8个块角的置位全列排为8!,又因为每个角块有3三个有色面,所以角块所有的图案组合为88!3⨯中.同理,魔方上的棱块有12个,每个棱块有2个有色面,棱块全部图案有1212!2⨯个.再次,魔方上不存在以下的操作结果:只有一个角块或一个棱块的有色面变换了朝向,只有一对角块或者一对棱块相互交换了位置.所以除以322⨯⨯.最后得到以上结果.如果人的平均寿命为100年每秒转动魔方3下,除去重复的图案,每个人吃饭睡觉都在转,46亿人经过4542亿年时间就可以转出所有不同的图案.所以通过随意转魔方而还原魔方有人可能终其一生都无法完成.

“拆开重新组装的魔方一定正确吗?”首先,6个中心块固定在魔方中心的六个接头上.其次,剩下的20个方块有:8个角块和12个棱块.8个角块的位置,以及每个角块有3个有色面,一共有88!3⨯种安装角块的方式.同理,共有1212!2⨯种安插12个棱块的方法.魔方有8128!312!2519,024,039,293,878,272,000⨯⨯⨯=种组装方法.相对于魔方转动变换出的图案种类魔方组装的图案要多很多.对比上文可以得到正确组装一个魔方的概率为112

.可以想到,在复原魔方的过程中试图通过拆卸魔方方块而简化复原步骤的办法是不可行的.

（二）群论的思想

1.魔方中的对称

生活中,几何体的镜面对称(关于某个平面的对称)是很常见的,魔方的结构也体现了这种对称性.然而,对称的含义远远超出了镜面对称,需要用到群论的思想作为研究的工具.

关于面平称对,若一个体何几被某面平成劈分部两,其中任一分部都是另一分部于关给所面平的面镜像映,则该体何几关于面平称对,即该体何几成面镜称对.关于线直称对,若一个体何几上的点每于关线直的点称对在该体何几上,则个这体何几关于该直线对称,即这条直线是该几何体的二阶对称轴.反过来讲,如果一个几何体具有二阶对称轴,那么该几何体围绕轴转3602

后与本身重合.类似的,若几何体围绕一条直线旋转360n

后与本身重合,则这条直线称为该几何体的n 阶对称