解谜的艺术11 绳戏(下)

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拓扑谜题纽结魔术绳子 |
分类: 谜之魅 |
William Thurston
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。
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。
……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》
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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
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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(上)”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
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。
绳子谜题和戏法
1、Sam Loyd之笔
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2、Chefalo’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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3、Tangloids
(Piet
Hein发明,见加德纳《New
Mathematical Diversions》第二章“Group Theory and Braids”。)
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4、双锁谜题
(见博文“解谜的艺术4
5、挂画谜题
(见博文“解谜的艺术4
6、仙人穿梭
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7、绳圈脱身 (《The Ashley Book of Knots》2610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)。)
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”)
12、Stewart
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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13、Double-Ring
Ceremony
(Karl
Fulves《
14、Telekinetic
Ring
(Karl
Fulves《
15、The
Penrose Knot
(Karl
Fulves《
16、绳圈脱手指及加强版 (《The Ashley Book of Knots》2603,2604)
17、String in a Ring (Arvind Gupta《String Games》)
18、String through the Buttonhole (Walter B. Gibson 《Knots and How to Tie Them》)
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19 Fingering the Nose
20、释放戒指或钥匙 (《The Ashley Book of Knots》2606)
http://s14/middle/8d1adcb34af9fc9c4858d&690绳戏(下)" TITLE="解谜的艺术11
21、释放剪子
(加德纳发明,见Karl
Fulves《
22、Cutting
the Fingers
23、毛线衫翻面 (加德纳《引人入胜的数学趣题》)
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24、The
Impossible Knot
25、一次打多个结
(Karl
Fulves《
26、Fourth-Dimension
Knot
27、John
Conway的绳舞(John Conway,"The Power of Mathematics"; James
Tanton,"Understanding Rational Tangles";视频"Tangles, Bangles and
Knots")
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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: