俄罗斯方块背后的数学故事

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俄罗斯方块背后的数学故事

2024-07-11 15:31| 来源: 网络整理| 查看: 265

俄罗斯方块的游戏场地是一个宽为10,高为20的矩形。游戏里共有7种方块,根据它们的形状分别命名为I, J, L, O, S, T, Z。玩家需要控制不断下落的方块填放到合适的位置,被填满的行将自动消除。视局面的不同,玩家一次可消除1行至4行不等,这在游戏里分别叫做 SINGLE、DOUBLE、TRIPLE和TETRIS。一次性消除的行数越多,得分也就越高。随着被消除的总行数的增加,方块下落速度会越来越快。一旦某个方块放置后超出了场地高度,游戏便自动结束。

俄罗斯方块背后的数学问题

到如今俄罗斯方块已经诞生27年了。在这27年里,俄罗斯方块不但让几代玩家为之疯狂,也让不少数学家沉迷于其中。

俄罗斯方块引出的第 一个数学问题是,如果玩家的技术足够高,游戏是否永远也不会结束?1988年,约翰•布鲁托斯基(John Brzustowski)的一篇论文指出,若“S”型方块和“Z”型方块以适当的间隔交替出现时,游戏区域中将不可避免地出现越来越多无法消去的行,最终导致游戏结束。虽然这种情况发生的概率极低,但毕竟是有可能的,因此理论上俄罗斯方块是不能一直玩下去的。

另一个值得思考的问题是,游戏中用到的7种方块总面积为28,那么是否能用这7个不同形状的方块拼出一个4×7的矩形呢?虽然游戏中的方块似乎都是填补空间的好手,但这个问题的答案却是否定的。原因很简单:如果把这7种方块都放到国际象棋棋盘上,你会发现几乎每一种方块都总是占据着两个黑色格子和两个白色格子,只有“T”型方块所占的黑白格子个数始终不等。因而7个方块所占据的黑白格子总数也是不相等的。但在一个4×7的矩形区域中黑白格子数目是相同的,因此它不可能被这7个方块完全覆盖住。

有趣的是,这7种方块恰好能构成一个平面镶嵌。如果一组几何图形能够既无重叠又无空缺地填满整个平面,我们就把它称作一种平面镶嵌。地砖的形状基本上都是等边三角形、正方形和正六边形,这就是因为单用一种正多边形构造平面镶嵌仅有这三种情况。如果允许使用多种图形,我们还能构造出更多漂亮的平面镶嵌图。一些设计师别出心裁,把墙砖做成了俄罗斯方块的形状,给居家生活带来几分创意。

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