異形3×3魔方還原教程_【理論篇】三階魔方4.33千億億種變化是怎么計算出來的?...

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本篇文章主要介紹三階魔方總狀態數是如何計算出來的,并介紹了兩種算法,盡量保證語言通俗易懂,不涉及高深的理論知識(當然我也不懂:P)


一、4.33千億億到底有多大?

我們都知道三階魔方的總變化狀態數量為4.33千億億種,但是它具體是個多大的數字大家可能沒有概念,因為據說超過1億數量級的東西絕大多數人就沒有數量上的概念了。

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三階魔方總狀態數

但我給大家做個簡單的計算題就能理解了:

假設目前全國人口為14億人,這14億人每天24小時不停的轉魔方,不吃不喝不睡覺,每人每秒鐘可轉出3種新的魔方狀態,那么總共需要327年才能窮舉出所有的魔方狀態!

這327年足以讓中國從康熙時期發展到新時代中國特色社會主義時期,讓中國從閉關鎖國走向改革開放,讓……扯遠了扯遠了。

二、4.33千億億是如何算出來的?

1、先從分子說起:

三階魔方相較于二階和四階(偶數階)最主要的特點就是:有六個位置不變的中心塊

這六個中心塊構成了天然的X、Y、Z空間直角坐標系,把三階魔方放到這個坐標系中,一個簡單的魔方數學模型就建立起來了。

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總組合數

這個“總組合數”并非可還原的魔方的總狀態數。它可以理解為把魔方拆了,再隨機組裝起來,一共可以得到的總組合數。它是正確值的12倍,下一小節將會解釋“12”這個數字是怎么出現的。

2、再從公式的分母說起:

“2×3×2”是本文的關鍵所在

我們都知道并非所有的魔方隨機組裝好以后都能完全復原,也就是說總會出現一個棱塊需要單獨翻過來、一個角塊需要單獨轉過來、兩個棱塊需要單獨交換等等的錯誤情況

這些錯誤情況通過轉動是永遠不可能復原的。所以上面所謂的“總組合數”,其實是包含了這些組裝錯誤的情況,將它們一并算在內所得到的結果。

下面就來看看一共有多少種隨機組裝情況:

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魔方隨機組裝情況

簡單解釋下這張圖:

  • 棱塊的朝向只有2種,且無法單獨翻轉一個棱塊
  • 角塊的朝向只有3種,且無法單獨旋轉一個角塊
  • 魔方是一個置換群,任意一步操作都是偶置換,只有偶置換的狀態才能復原,所以無法單獨交換一對棱塊
學過盲擰的同學都能理解,也推薦看看魔方小站的這篇文章,做更深入的了解。或者你有更好的解釋,歡迎在評論區留言。
魔方小站魔方總變化數的道理?www.rubik.com.cn
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上圖也就解釋清楚了,為什么魔方隨機組裝之后能復原的概率只有

————————————————————

Q:可能有人會問,為什么只有棱塊會出現只交換一對棱塊的情況,角塊不會出現只交換一對角塊的情況嗎?

A:這個問題很好,角塊一樣也會出現只交換一對角塊的情況,但是學過PLL公式的同學都知道,角塊和棱塊交換情況是可以互相轉換的(例如PLL鄰角對棱換)。所以角塊錯誤的情況可以轉化為棱塊的錯誤情況

三、另一種計算方法

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這種計算方法可以這么理解:

:當魔方
7個角塊的朝向都確定以后,第八個角塊的朝向就被唯一確定

:仍然是
8個角塊的全排列數量

:與角塊同理,當
11個棱塊的朝向都確定以后,第十二個棱塊的朝向就被唯一確定

:與角塊同理,分子部分是
12個棱塊的全排列數量,分母2是因為有一半的全排列數量里包括了只交換一對棱塊的情況,所以要除以2

四、正N階魔方的總狀態數

(摘自百度百科)

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