В принципе, на этом месте я мог бы сказать «остальное проверьте сами», потому что в других случаях передвижения пустой фишки происходит ровно тот же самый эффект. Но давайте для аккуратности проверим что-нибудь еще. Например, вверх могло пойти число 14 (вместо того, чтобы опустить вниз число 8) (см. рис. 20).
Что произойдет, где начались изменения? Только в нижних двух строках. Было 1, 2, 3, 4, 8, 7, 6, 5, а потом вместо 9, 10, 11, 14, 12, 15, 13 мы увидели 9, 10, 11, 14, 12, 15, 13. Ничего вообще не изменилось.
Давайте теперь представим себе внутреннюю пустую фишку. Скажем, если в позиции на рис. 18 клеточку 11 сдвинули к краю, а 7 сдвинули вниз (рис. 21):
Выпишем змейку до того, как подвинули 7:
1, 2, 3, 4, (8, 7, 6, 5, 9, 10, 11), 14, 12, 15, 13.
Теперь я двигаю 7 вниз и получаю вот такой фрагмент змейки:
1, 2, 3, 4, 8, 6, 5, 9, 10, 7, 11 ...
Выделяю в змейке группу, которая менялась.
Было: 1, 2, 3, 4, 8, (7, 6, 5, 9, 10), 11, 14, 12, 15, 13. Стало: 1, 2, 3, 4, 8, (6, 5, 9, 10, 7), 11, 14, 12, 15, 13.
6, 5, 9, 10 переехали на шаг левее, а 7 через них перепрыгнула. Сколько будет изменений? Ровно 4. Пары опять поменялись. Правильные стали неправильными, и наоборот. Опять каждый раз мы прибавляем или отнимаем единицу. И так 4 раза. А 4 ведьчетное число, вот незадача. Опять результат меняется на четное число.
Что мы можем еще сделать? Мы могли вместо 7 подвинуть 12 (рис. 22). Тогда 12 прыгнет за пару (11,14). Изменятся ровно две пары.
Слушатель: То есть нечетное число поменяться не может.
А.С.: Ни при каких условиях. Мы уже знаем, что движение по горизонталибессмысленно. Получится та же самая змейка. Если мы движемся сверху вниз, то количество неправильных пар меняется либо на 2, либо на 4, либо на 6, либо ничего не меняется. Можно честно перебрать все возможные переходы снизу вверх. Можно просто понять, что никаких других вариантов, кроме четных, нет. То есть в пятнашку выиграть нельзя, потому что в стандартной исходной позиции количество неправильных пар 8, и изменить его можно только на четное число. А в требуемой позиции имеется 9 неправильных пар.
Слушатель: Из любой ли позиции выиграть невозможно?
А.С.: Почему? На самом деле из половины всех исходных позиций. Из половины невозможно, из половины возможно. Потому что в «высокой» математике учат, что половина последовательностей имеет четное число неправильных пар, а половинанечетное4. Поэтому половина вариантов будет собираться в стандартную исходную позицию. Если пятнашки как угодно перемешать, вывалив из коробки и затем вставив обратно как придется, то перестановкой фишек всегда можно прийти либо к случаю «13, 14, 15», либо к случаю «13, 15, 14».
Чтобы понять, можно ли привести фишки в исходную позицию, нужно посчитать количество неправильных пар в змейке, соответствующей изучаемой исходной позиции. Если оно нечетноепривести к исходной позиции можно. Если четноето нельзя.
Слушатель: Какие числа можно поменять местами?
Другой слушатель: Например, 1 и 3 можно поменять?
А.С.: Если я меняю 1 и 3 местами (было 1, 2, 3,стало 3, 2, 1), то как изменилась четность? Было отсутствие беспорядков (то есть 0), стало три беспорядка. Четность, стало быть, изменилась. Так что поменять в игре «пятнадцать» 1 и 3 местами, сохраняя остальные фишки на своих местах, тоже невозможно. Ваши вопросы относятся к теории групп, основе современной алгебры. Что и как можно поменять, чтобы четность меняласьэтот вопрос напрямую к теории групп5. Почему ровно половина позиций имеет четное количество беспорядков? Это тоже связано с некоторым фактом из теории групп. Сейчас я продолжу развивать эту тему. Рассмотрим «кубик Рубика». Венгерский инженер Рубик достойно продолжил дело, начатое Сэмом Лойдом.
Давайте разберем этот кубик и соберем его обратно.
Слушатель: По-моему, есть даже какие-то соревнования на этот счет.
А.С.: На соревнованиях надо собрать тот, который теоретически возможно собрать. Под словом «разобрать» я понимаю более радикальную операцию: «разодрать».
Как только мне купили кубик Рубика, я сразу его разодрал. Потому что мне было интересно, любую ли позицию можно привести к исходной. Мне было это настолько долго интересно, что на мехмате МГУ я решил соответствующую задачку в качестве зачета. Возможно (если мне не изменяет память) 12 разных расположений, не переводящихся друг в друга. В пятнашках2, а для кубика Рубика12 ситуаций. Это тоже следует из теории групп (по которой я и сдавал зачет).
Если перевернуть угловой кубик в кубике Рубика путем принудительного «раздирания» и восстановления его формыего нельзя будет собрать. Если перевернуть центральный кубичек в ребретоже нельзя. Если поменять местами два кубика малой «диагонали» любой граниопять не получится. Эти изменения и все их сочетания задают набор различных позиций кубика Рубика, которые нельзя собрать. Однако этотрудная задача.
А теперь поговорим про мяч (рис. 3). То есть, как ни странно, снова про математику.
Математика состоит из двух важных составляющих: что такое число, и что такое доказательство. Моя старшая дочка не могла в свое время решить задачу: есть 3 апельсина и 2 яблока, сколько всего фруктов? Она совершенно не понимала, как можно сложить яблоки с апельсинами. Это же совершенно про разное. Мне кажется, что это типичное гуманитарное мышление. Человек фокусируется на содержании объекта и не может от него уйти. А вот старший сын решал эту задачу, когда ему было два с половиной года. Я ему говорил: «У тебя было 3 грузовика и 2 легковушки. .. »«Ой, пап, давай просто 3 + 2,зачем, всё это... ерунда... Говори три и два, и будем складывать». Ведь что такое число? Числоэто ум,ен,и,е абстрагироваться от, объекта. Говорят, в каких-то таежных культурах, где-то далеко на воет,оке Сибири, имеются до сих пор разные числительные для обозначения, например, количества белых медведей и количества деревьев. У них формализация числа 5 как выражающего общность пяти медведей и пяти сосен еще не произошла. На осознание того, что у 5 медведей и 5 сосен есть общее, человечество потратило много тысячелетий. И в тот м,ом,ен,т,, когда это осознание настало, началась математика. А на память об этом процессе в русском языке до сих пор говорят «сорок» вместо «четырьдесят», хотя раньше можно было сказать «сорок собольих шкурок», но не «сорок деревьев».
А теперь рассмотрим поближе футбольный мяч. Он состоит из шестиугольников и пятиугольников: двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников.
Зачем? Почему так сложно? Вот вы, допустим, шьете футбольные мячи, чем вам не угодили просто шестиугольники? Взяли, сшили их по краям. Плоскость, например, отлично замощается шестиугольниками .
Слушатель: Но они, может быть, в мяч не сложатся.
А.С.: Давайте попробуем сложить огромный мяч. Возьмите 200. 300 шестиугольников. Плоек ость-то элементарно замощается? Вот так. как я нарисовал. Пчелиные соты (рис. 23).
Слушатель: Они на стыках но будут совпадать.
А.С.: Ну тут-то. на плоскости, вроде всё совпадает. А потом взял, свернул очень большой кусок плоскости и получил мяч.
Слушатель: Не остается места для того, чтобы правильно согнуть.
А.С.: Я даже не знаю, как выразить простым языком Ваше правильное интуитивное замечание. Но математическая теория этого вопроса неумолима. Из шестиугольников нельзя собрать поверхность шара. Вообще, никак, никаким способом даже если их нарисовать на поверхности шара в слегка искривленном виде6
'edels/liexaspliere/. Обратите внимание па дату публикации :-))))·.
Слушатель: А из пятиугольников?
А.С.: Сейчас мы проясним ситуацию, связанную с пятиугольниками. Во-первых, давайте договоримся о том. что сшивать надо так. чтобы в каждой вершине сходилось три образующих поверхность мяча многоугольника. Будем называть такую сшивку регулярной. Сразу скажу, что никакой, регулярной ли. не регулярной.
никакой сшивкой из шестиугольников нельзя сшить футбольный мяч. Но давайте сейчас рассмотрим подробно регулярные сшивки. Возьмем всевозможные футбольные мячи, любого размера, которые составлены из пятиугольников и шестиугольников.
Неожиданная теорема:
Если поверхность шара «сшита» регулярным образом из некоторого количества х шестиугольников и некоторого количества у пятиугольников, то у обязательно равно 12.