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解谜的艺术11 绳戏(下)

(2011-10-08 00:39:30)
标签:

拓扑

谜题

纽结

魔术

绳子

分类: 谜之魅
    Knots are more numerous than the stars; and equally mysterious and beautiful...
                                                             --John Turner(1988)
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 (Hartley的纽结系列画作见:Knot Play Series)
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William Thurston (1946-2012),图片地址

对我来说真是幸运,这两个很有意思的人从来没有参加过童子军。我的意思是说,他们不知道怎样打好绳结!因而我不费什么劲就挣脱了绑绳。

           ——《丁丁历险记》之《月球探险》

他又拿起了细绳,带点神经质的不安说下去,同时随着提出的每一点分析编成一连串的结,这些结连航海教练看了都会自叹弗如。

                                                                      —— 奥希兹女男爵《角落里的老人》之《芬雀曲街谜案》

     这儿有一小根缎带,从这式样和油腻腻的样子来看,它显然是喜欢蓄长辫的水手们系头发用的。况且这个节除了水手,尤其是马耳他商船上的水手,很少有人会打。

                                                       ——爱伦坡《摩格街谋杀案》

……鱼叉都直接射进鲸鱼庞大的铅色身躯里。这可怜的生灵就像石头一样沉了下去,……这时候也很危险,绳子由一个专门的卷绳人小心地卷起来以确保不会打结。然而一旦绳子打结了,只要某个船员的脚给绳结套住,此人就难免一死,而且会死得很快,……被套住的那人早被拉到水下几百米处了。

                                  ——《“福尔摩斯之父”柯南·道尔的传奇一生》

    ……小心地将包上的绳结解开,随手用笔在记事册上画了几画把那绳结的式样描绘下来。……
    ……那麻绳的结是个双套结,童子军的结绳术上有这个方法。……
                                                                 ——程小青《断指团》
    ……我碰巧对绳结略知一二;这也是犯罪学的一支。他身上的每一个结都是他自己打的,也都能自己解开……
                                       ——切斯特顿《布朗神父的智慧》之《密室失踪案》

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                                    摄于后海画摊

    Loony Loop(排叉环,Gordian Knot)的状态可以用 3-ternary Gray code表示。(Knuth 《计算机程序设计艺术》第四卷第二册“生成所有元组和排列”第一节习题 84)九连环等游戏与格雷码或二进制的关系参见加德纳的 Knotted Doughnuts and Other Mathematical Entertainments 第二章“The Binary Gray Code”及李友耕的《进位制与数学游戏》。

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用拓扑学或纽结理论可以证明某些解套谜题不存在解,有时候甚至还能给出特殊谜题的具体答案。(见博文“解谜的艺术4) Matthew Horak 在论文《Disentangling topological puzzles by using knot theory》中以Quattro为例,指出一般情况下尽管纽结理论不能直接给出解套谜题的具体解,但对求解过程有指导意义。例如,可以证明要将Quattro的四个木圈分离,某绳圈必须环绕与之相套的木圈。注意,绳圈的长度不允许木圈从中穿过。用反证法。若非如此,则如左图所示,在虚线圈内就可以将套在一起的绳圈解开。由此推出中图与平凡纽结的投影图等价。然而如右图所示,此投影图是三色的(Tricolorability,见维基http://en.wikipedia.org/wiki/Tricolorability),但平凡纽结不具有三色性,矛盾。http://s3/middle/8d1adcb34aeba029526a2&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />

http://s15/middle/8d1adcb34afa65b7990ae&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />(以上挂画谜题一般形式的构造有误,“与”“或”的构造参见Erik Demaine等人2012年的论      Picture-Hanging Puzzles引理4和引理5)

一些直观上显然无解的拓扑谜题其无解证明并不平凡,博文“绳戏()”中提及的太极环为一例。如下图所示,《拓扑学奇趣》例52更加显然,证明方法也是利用链圈补空间的基本群。http://s11/middle/8d1adcb34af9f2dca73ca&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />

在绳子上连续打两个非平凡的结有没有可能互相抵消?当然不会。Conway中学时代想出一个非常初等的证明(下图),见加德纳《Knotted Doughnuts and Other Mathematical Entertainements》第五章“Doughnuts: Linked and Knotted”或Kauffman的网页http://homepages.math.uic.edu/~kauffman/KnotSum.pdf

        http://s5/bmiddle/8d1adcb34b0e7d5ddbda4&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />

绳子谜题和戏法

1Sam Loyd之笔

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2Chefalo’s Vanishing Knot M.Borelli, L.Kauffman的文章"The Brazilian Knot Trick"(见"Puzzlers' Tribute: A Feast for the Mind")对其做了推广。)

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3Tangloids  Piet Hein发明,见加德纳《New Mathematical Diversions》第二章“Group Theory and Braids”。)

          http://s13/bmiddle/8d1adcb34af9f4013d10c&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />

4、双锁谜题 (见博文“解谜的艺术绳戏()”)

5、挂画谜题 (见博文“解谜的艺术绳戏()”)

6、仙人穿梭

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7绳圈脱身 (《The Ashley Book of Knots2610有两种解法,魔方吧的巧环巧扣子论坛给出加强版,要求背心或坎肩始终掖在裤子里(上衣裤子为一体)。)

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8、手铐谜题(The Handcuffs Puzzle见上图)

9、明日环

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10、剪子谜题 (见博文“剪子谜题”)

11、戒指谜题(加德纳《最后的消遣》第五章“纽结的拓扑学”)

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12Stewart Judah's penetration trick (加德纳《科学美国人 趣味数学集锦之二:迷宫、幻方、趣味拓扑及其他》第七章“趣味拓扑”) 

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13Double-Ring Ceremony Karl Fulves Self-Working Rope Magic32

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                http://s10/bmiddle/8d1adcb34af9fa61f19d9&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />

14Telekinetic Ring Karl Fulves Self-Working Rope Magic62

 

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                http://s15/bmiddle/8d1adcb34af9fafeaf3be&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />

15The Penrose Knot Karl Fulves Self-Working Rope Magic39;加德纳《最后的消遣》第五章“纽结的拓扑学”)

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16、绳圈脱手指及加强版 The Ashley Book of Knots2603,2604

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17String in a Ring Arvind GuptaString Games》)

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18String through the Buttonhole Walter B. Gibson Knots and How to Tie Them》)

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19 Fingering the Nose  The Ashley Book of Knots2597

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20、释放戒指或钥匙 The Ashley Book of Knots2606

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21、释放剪子 (加德纳发明,见Karl Fulves Self-Working Rope Magic44

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22Cutting the Fingers  (The Ashley Book of Knots2602)

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23、毛线衫翻面 (加德纳《引人入胜的数学趣题》)

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24The Impossible Knot  (The Ashley Book of Knots2576)

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25、一次打多个结 (Karl Fulves Self-Working Rope Magic11 ‘Name a Number’)

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26Fourth-Dimension Knot  (Karl Fulves Self-Working Rope Magic63)

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27、John Conway的绳舞(John Conway,"The Power of Mathematics"; James Tanton,"Understanding Rational Tangles";视频"Tangles, Bangles and Knots")

 如下图,准备两根绳子,四舞者各执绳子一端,令t表示绳子对应的有理数,t=0为初始状态。

                        http://s14/small/8d1adcb34cb5416e8ea4d&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />

下图展示两种基本舞步(或称为对绳子的两种基本变换):扭转(Twist),旋转(Turn)。在两种变换下绳子对应的有理数做相应变化。

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当四人按基本舞步跳一段时间之后,绳子一般会纠缠成一团,例如变成这个样子:
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如何按基本舞步跳舞,将绳子变为初始状态?利用Conway的有理缠结(Rational Tangles)理论,只需将t按基本变换变为0即可,当然,绳子需做相应变换。例如,可按以下序列做变换:
13/10,-10/13,3/13,-13/3,-10/3,-7/3,-4/3,-1/3,2/3,-3/2,-1/2,1/2,-2,-1,0。
28、打结小魔术
  Tangles, Bangles and Knots (8分;34分)
  Kauffman's book "On Knots" P98-99
29、Hand Cut (见"String Games" by Gupta)
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30、五角星之谜(见mathoverflow:Magic trick based on deep mathematics
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附:另一种画法
http://s10/bmiddle/002Ad9kvzy6QKCywsXfa9&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11 绳戏(下)" />



 


 


 

 


 


 


 


 


 


 


 

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