《魅力魔方》中的公式原理

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《魅力魔方》中的公式原理

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这本书主要是从数学的角度研究魔方,写的有点复杂,而且是理论研究为主,没有注重公式是否顺手,此外一些复原方法实用价值不大。但其中对原理的分析是比较深入的,我总结了我认为比较实用的一部分,可能有助于理解魔方、理解公式。

1、倒转原理、恒等过程:任何操作序列都可以被撤销,过程X的逆用X'表示。例如过程X=BDRD'的逆X'=DR'D'B'。也就是现在常说的逆序。X和X'是逆序关系,如果先做X再做X'(XX'),对魔方是没有影响的,这种过程称为恒等过程,用I表示(XX'=I)

2、部分倒转原理、共轭过程:在过程X和X'中间插入其他序列Y,那么XYX'过程序列就是共轭过程。这个过程和单纯XX'不同,由于插入了Y,对魔方的块会造成影响,称为部分倒转。这种序列很常见,例如DR'D'、R'FR、RUR'、RU2R'等等。可以用来复原第一层棱块和角块

3、等效过程:如果两个过程在魔方上产生的效果一样,那么它们就是等效过程。例如U'=U3;U2LD2L'U2LD2L'=B'D'BU2B'DBU2;同一个pll的不同公式,等等。等效过程的意义在于,某些比较长的公式可以用更短的公式代替,例如用(URU'R')2代替(RUR'U')4

4、循环的性质:如果一个过程X是n循环,那么重复做n次X就是恒等过程,对魔方没有影响,Xn=I。n称为循环的长度,也叫过程的阶。例如三循环公式做3次,RUR'U'做6次。任何过程X都有一个固定的n,也就是说任何过程重复若干次一定会变成恒等过程,只是不同过程的n会有不同,例如前面说的3和6。对于FR'这个过程,n=63,而FR的n=105。最大的n=1260,例如RF2B'UB',这个过程做1260次才能回到初始状态。

某些过程在n循环的中间会产生特定的效果,可以利用这种性质复原魔方。例如过程R2U2,在做3次的时候会形成两组棱对换,这可以用来处理第二层棱块。又例如过程URU'R',在做3次的时候会形成两组角的互换,这是一个常用的f2l公式,或者可以用来改变角位置

5、交换过程:形如XYX'Y'的过程称为交换过程,例如URU'R',可以简写成[X,Y]。盲拧的很多公式现在也这样表示。URU'R'的交换部分是Z形,称为Z型交换过程;UR'U'R、R'FRF'的交换部分是Y形,称为Y型交换过程。广义上说,任何过程都是交换过程,只是XYX'Y'这种过程影响的块少,实用性更强

6、利用共轭过程由老过程建立新过程:其实就是通过公式变形得到新公式。用这个思路可以推出很多新公式

例1 L'D2LUL'D2LU'是一个8步三循环公式,交换的是(ULB,UFL,FRD)这3个角;而在公式前后加上R'/R,就变成了R'L'D2LUL'D2LU'R,交换的是(ULB,UFL,URF)这3个角,也就是一个顶层三角换公式。这其实就是盲拧里setup和reverse的思路。

例2 M'U2MU2是一个中层三棱换公式;如果在前后加上R2D'/DR2,变成R2D'M'U2MU2DR2,就变成了一个顶层三棱换公式。

例3 (RUR'U')3是一个分别交换两组角块的公式(ULB和BRU,URF和DFR);如果在前后加上F/F',变成F(RUR'U')3F',就变成了一个常用的oll/coll公式

例4 FRUR'F'是一个vhf2l的公式;如果在前后加上R'/R,变成R'FRUR'F'R,就变成了另一个vhf2l的公式

7、翻角公式:由于(RUR'U')2只影响底层的DFR角块色相,因此结合D/D'操作就可以实现两角翻或者三角翻,例如(RUR'U')2D(URU'R')2D'

8、二生成元群:就是2-gen(two-generator group)转动形成的所有状态,只用RU的公式,例如常用的小鱼、三棱换公式等就属于二生成元群。类似的还有3-gen、4gen等。而5-gen是等价于整个魔方的打乱状态的,或者说只转动魔方的5个面就能形成所有打乱状态,例如用URLFB的转动代替D:RL'F2B2RL'ULR'B2F2LR'=D,R2F2B2L2U2R2F2B2L2=D2

9、置换的奇偶性:对魔方的任何操作过程都产生偶置换,例如三棱换是2次二棱交换;T-perm是一组角对换和一组棱对换(1+1=2)。因此单独二棱换只有可能是装错了,正常复原不会出现这种情况,也不能解决这种情况。另外还有色相的问题,如果棱块有色相错误,那么错误的棱一定是偶数个,不会有单独翻棱的情况;角块的色相一定是一顺一逆,或者三顺/三逆,或者这些情况的叠加,总之扭转的角度之和一定是0°或者360°。说到这可能有人会想到空心、移棱、粽子这些会出现特殊情况的三阶异形,这是因为它们的结构或者形状和普通三阶不一样,因此可能会不符合置换奇偶性的规律。15puzzle也是类似的,如果最后剩下14和15需要单独交换,也是实现不了的。

10、魔方总状态数的计算:(8!*12!)/2*(3^8/3)*(2^12/2)≈4.3*10^19。这个计算公式很经典,就不赘述了,公式里的/2和/3是考虑到排除上面一条说到的不存在的情况。



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