[心得] 讓完全新手參考用的2階魔術方塊解法

看板Rubiks (魔術方塊)作者mikapauli (桜花)時間1月前 (2024/11/25 20:00)推噓8(8推 0噓 41→)

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前言起因是有完全沒接觸過魔術方塊的新手，想從最簡單的2階魔術方塊開始學起。所以就用了我覺得最好理解的解法，寫下這篇內容當做教材，順便貼上來和板友分享。雖然還沒實際拿去教XD 也非常歡迎大家任何的意見交流，畢竟這教法可能還有不少改進空間。第1步：2階魔術方塊的等價表示對於2階(2 ×2 ×2)魔術方塊的相對兩面，它們的轉動是等價的。因此可以選定8塊方塊中的1塊方塊為基準，將它放到後方，其他3面7塊方塊朝前，之後只轉動朝前的3面，如下圖所示。 https://imgpoi.com/i/XRKIVD.png

以後都將像下圖這樣，把轉動2階魔術方塊簡化為7格方塊在3條軌道上輪轉。 https://imgpoi.com/i/XRKLAV.png

第2步：完成後方3格當1塊方塊移動時，只要它沒有透過不同軌道進出下圖黑色的中央位置， https://imgpoi.com/i/XRKFXE.png

那麼當它回到出發點時就會維持與一開始相同的方位；反之則可以旋轉它。因此已經排好的方塊只要不進入中央位置，在需要避讓時還是可以被移動一下。透過這個原則便可以很容易完成下圖黑色的後方3格， https://imgpoi.com/i/XRKJIB.png

把正確位置在這裡的方塊移過來並轉到正確方位。第3步：移動前方4格這裡把已經完成的後方3格分別標示為x、y、z，還沒完成的前方4格分別標示為a、b、c、d，如下圖所示。 https://imgpoi.com/i/XRK65G.png

遵循之前的原則，首先要在不讓x、y、z進入中央位置的條件下把a、b、c、d移到正確位置。滿足這個前提的轉法有很多，最簡單的像是： 1. x朝向z（往b）轉1格； https://imgpoi.com/i/XRKDC9.png

2. y朝向z（往a）轉1格； https://imgpoi.com/i/XRK2P5.png

3. x轉回原位； https://imgpoi.com/i/XRKMVM.png

4. y轉回原位。 https://imgpoi.com/i/XRZ5A2.png

轉完後a、b的位置互換，c、d的位置也互換。這個轉法之後可以用到，把它記為[z←x, z←y]，表示x先朝向z然後y朝向z轉，之後也是先x後y復原。因此[z←y, z←x]就是[z←x, z←y]的反轉，其他像[y←z, y←x]、[x←y, x←z]也都是這類轉法，其實活用它們就有辦法解完2階魔術方塊了。這篇文章裡用中括號框起來所代表的轉法最後x、y、z都會回到原位。 [z←x, z←y]對a、b、c、d的移動可以用輪換符號寫成(ab)(cd)。可以記憶為目的地z正下方的兩格互換，旁邊兩格也互換，同理[y←z, y←x]對應(ac)(bd)，[x←y, x←z]對應(ad)(bc)。數學物件：置換由於開始用到了輪換符號，並且後面會使用置換運算來移動前方4格，因此先花了一些篇幅在這邊做個簡單介紹，如果對置換熟悉的話可以先跳過這段。一些元素位置掉換的動作被稱為置換，並且多個置換能藉由依序執行各自的移動結合成1個新的置換。而像上面a、b、c、d所有的移動方式搭配置換的結合構成了4階置換群S4。置換能透過輪換符號來表示，例如(abcde)代表a←b←c←d←e←a這個移動，並且(bcdea)、(cdeab)、(deabc)、(eabcd)也都等於是這個移動的寫法；而(aedcb)就是(abcde)的反置換，代表反過來的移動a→b→c→d→e→a。 (ab)這種2階輪換代表2個元素交換，反置換就是(ab)本身。另外像是置換(abc)、(bcd)的結合寫成(abc)(bcd)，先執行寫在前面的移動。 S4總共有24個置換，包含：空置換1個，()，代表沒有任何移動，而像(a) = a←a這種也等於空置換 2階輪換共6個，(ab)、(ac)、(ad)、(bc)、(bd)、(cd) 互斥2階輪換的結合共3個，(ab)(cd)、(ac)(bd)、(ad)(bc)，元素兩兩交換 3階輪換共8個，(abc)、(abd)、(acb)、(acd)、(adb)、(adc)、(bcd)、(bdc) 4階輪換共6個，(abcd)、(abdc)、(acbd)、(acdb)、(adbc)、(adcb) 顯然S4中所有置換都能寫成2階輪換的結合，畢竟所有移動都能透過元素兩兩交換達成。觀察一些置換的結合，例如： (ab)(abcd) = (a←b←a)(a←b←c←d←a) = b←c←d←b = (bcd) (abcd)(ab) = (a←b←c←d←a)(a←b←a) = c←d←a←c = (cda) = (acd) (cd)(abcd) = (cd)(cdab) = (dab) = (abd) 也能得到 (abcd) = (ab)(bcd) = (ab)(bc)(cd) = (acd)(ab) = (ad)(ac)(ab) = (cd)(abd) = (cd)(bd)(ad) 但3階輪換就無法組合出2階輪換或4階輪換，這點可以用3階輪換屬於偶置換，而2階輪換與4階輪換屬於奇置換來說明。再觀察更多置換的結合： (abcd)^2 = (a←b←c←d←a)(a←b←c←d←a) = (a←c←a)(b←d←b) = (ac)(bd) (ac)(abcd) = (a←c←a)(a←b←c←d←a) = (a←b←a)(c←d←c) = (ab)(cd) (abcd)(ac) = (a←b←c←d←a)(a←c←a) = (a←d←a)(b←c←b) = (ad)(bc) 可以得到像是 (ac) = (acbd)^2 (adcb) 之類的等式，藉此能發現S4中的置換也都可以寫成4階輪換的結合。最後下面這類4階輪換與3階輪換的結合之後也會用到： (abc)(abcd) = (a←b←c←a)(a←b←c←d←a) = a←c←d←b←a = (acdb) (abcd)(abc) = (a←b←c←d←a)(a←b←c←a) = a←c←b←d←a = (acbd) 第3步(續)：移動前方4格回到2階魔術方塊， https://imgpoi.com/i/XRK65G.png

除了[z←x, z←y]、[y←z, y←x]、[x←y, x←z]這類轉法，另一種不讓x、y、z進入中央位置的轉法是： 1. x朝向y（往c）轉1格； https://imgpoi.com/i/XRZ9XD.png

2. y帶著x朝向z（往a）轉1格； https://imgpoi.com/i/XRZGIV.png

3. 此時a、c、b、d便能隨意轉動，分別對應(acbd)、(acbd)^2 = (ab)(cd)、 (acbd)^3 = (adbc)； https://imgpoi.com/i/XRZB5E.png

4. 復原。 https://imgpoi.com/i/XRZACB.png

https://imgpoi.com/i/XRZRPG.png

這裡把這個轉法記為[y←x, z←y]，表示一開始x先朝向y然後一起朝向z轉，預設如圖中只在步驟3逆時針轉1格，得到對應關係 [y←x, z←y]：(acbd)、[y←x, z←y]^2：(ab)(cd)、[y←x, z←y]^3：(adbc) 同理 [x←z, y←x]：(cbad)、[z←y, x←z]：(bacd) 這種轉法很容易在途中看出對應的4階輪換，可以不用特別去記憶。或是用從中央出發的前2步移動判斷第1轉。觀察a、b、c、d從正確位置到目前位置的移動： 1. 若是(abc)這種3階輪換，順著相同方向做1次4階輪換如[y←x, z←y]^3：(adbc)變為4階輪換(adcb)接3.，方向相反也沒關係就變為2階輪換接2.； 2. 若是(ab)這種2階輪換，做1次[y←z, y←x]：(ac)(bd)變為4階輪換(dacb) 或[x←y, x←z]：(ad)(bc)變為4階輪換(cadb)接3.； 3. 若是(abcd)這種4階輪換，做1次反置換[x←z, y←x]：(dcba)變為空置換； 4. 若是(ab)(cd)這種兩兩交換，做1次[z←x, z←y]：(ab)(cd)變為空置換。這樣移動前方4格就完成了。第4步：旋轉前方4格此時a、b、c、d每1格處於方向正確、逆時針方向自轉1格、或順時針方向自轉1格3種狀態之1。觀察轉2次[z←x, z←y]，此時a、b、c、d都沒有移動，但a、b原地逆時針轉動了1格，c、d原地順時針轉動了1格，記為a+b+2c+2d。可以使用與前面相同的記憶法：z正下方的兩格往同一邊轉，旁邊兩格往另一邊轉。 a、b、c、d每1格的自轉可以用3階循環表示，分別構成3階循環群C3，共同記為pa+qb+rc+sd。亦即逆時針方向轉動2格等於順時針方向轉動1格，順時針方向轉動2格等於逆時針方向轉動1格，而逆時針方向轉動3格或順時針方向轉動3格便回到原方向。因為循環群是交換群，所以處理起來會比較簡單，只要把循環抵銷就好不用在意先後。另外由於轉動2階魔術方塊時的不變性，沒辦法只單獨旋轉其中1塊方塊。也就是在第3步魔術方塊的所有狀態為S4 ×C3 ×C3 ×C3，在第4步為C3 ×C3 ×C3。觀察a、b、c、d從正確方向到目前方向的自轉，此時除了完全正確的情況，其他的可能性只有： 1. 某3格往同方向自轉，例如a+b+c，隨便選1個轉法例如[z←x, z←y]^2：a+b+2c+2d， [z←x, z←y]轉2或4次變為2c+d接2.； 2. 某1格往逆時針轉，另1格往順時針轉，例如a+2b，選1個轉法讓這2格往反方向自轉，例如[y←z, y←x]^2：a+2b+c+2d， [y←z, y←x]轉2或4次變為2a+b+c+2d接3.； 3. 某2格往逆時針轉，另2格往順時針轉，例如a+b+2c+2d，一直轉對應的轉法[z←x, z←y]^2：a+b+2c+2d就可以。 2階魔術方塊到這裡便解完了！ -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 118.166.81.202 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Rubiks/M.1732536030.A.880.html

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