圓積木研究(A

1、葉均承Chun-Chen Yeh 孫君儀 Chun-Yi Sun 圓積木研究(A Study of Log Stacker)一、 緣起1998年，中研院數(shù)學(xué)所葉永南教授在一次演講中，生動(dòng)有趣地介紹了一些“益智遊戲”，其中有一樣圓積木遊戲(由Bradley教授發(fā)明)只是個(gè)不起眼的小木盒，裡面平放了十三木條，木盒外另有一根小木條，遊戲要求把盒外的這一根木條也放進(jìn)盒子內(nèi)，並且能順利地將盒蓋蓋上。起初，我們並不以為意，認(rèn)為盒子上所說的“The world's most difficult puzzle box”過於誇大，如此平凡的東西，一定很容易解決。但我們?cè)嚵嗽S久，怎麼放都放不進(jìn)去，最後只有

2、舉白旗投降了。葉教授鼓勵(lì)我們靜下心來好好想，而且盒子背面說此遊戲確有2個(gè)解，於是我們開始探討其中的奧祕(mì)。二、 測(cè)量配件經(jīng)驗(yàn)告訴我們進(jìn)行遊戲解法的研究首先要觀察配件，圓積木遊戲共有十四根長(zhǎng)長(zhǎng)短短的圓柱木條，其長(zhǎng)度分別約為12.9公分、11.7公分、7.7公分(3根)、7.1公分、5.8公分、5.2公分(2根)、4.8公分、4.4公分、3.8公分(2根)、2.6公分。而圓柱直徑皆相等且約為1.3公分，木盒內(nèi)緣長(zhǎng)約15.9公分、寬約為4.2公分、高約為2.7公分。仔細(xì)觀察這些數(shù)字，它們之間的比率非常的複雜且不規(guī)律，突然靈機(jī)一動(dòng)，原來美國(guó)使用的長(zhǎng)度單位是英制，一英吋約等於2.54公分。由於製造及丈量上

3、會(huì)造成些微的誤差，為了方便討論，可將圓柱的直徑設(shè)為1單位，則這十四根圓柱木條的長(zhǎng)度、圓柱的直徑、木盒內(nèi)緣長(zhǎng)、寬、高的長(zhǎng)度應(yīng)如下表所列。如此一來，我們可以把看似雜亂無章的數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成有規(guī)律的資料，這就像是數(shù)學(xué)上有很多的變換，可把複雜的問題變簡(jiǎn)單。圓柱木條木盒(長(zhǎng)、寬、高)英吋54.532.752.2521.751.5161.51單位10965.54.543.5321232木條數(shù)113212121三、 分析原問題要求將這十四根圓柱木條全部放置入木盒內(nèi)，由於圓木與圓木之間必須有些縫隙，如右圖中空白部份都會(huì)浪費(fèi)掉。所以我們只能將圓木視為底是1 x 1單位的長(zhǎng)方體。首先檢驗(yàn)圓柱木條所佔(zhàn)的體積與木盒

4、的體積，以初步了解置入的可能性。1 x 1 x (10 + 9 + 6 x 3 + 5.5 x 2 + 4.5 + 4 x 2 + 3.5 + 3 x 2 + 2) = 12 x 3 x 2 = 72體積正好相等，表示問題可能有解。要讓這些圓柱木條全部放置入木盒內(nèi)即是設(shè)法用這些木柱的長(zhǎng)度拼組6個(gè)12單位的長(zhǎng)度，於是我們做以下的分析。注意到圓木中有幾根長(zhǎng)度是比較特殊的有兩根長(zhǎng)為5.5單位；有一根長(zhǎng)為4.5單位；另有一根長(zhǎng)為3.5單位。為了湊出6條12單位，這些非整數(shù)單位的圓木必須兩兩合併在一起。它們只有以下幾種可能的合併方式：5.5 + 5.5 = 11 ; 5.5 + 4.5 = 10 ; 5

5、.5 + 3.5 = 9 ; 4.5 + 3.5 = 8 。A. 第一種情況： 5.5 + 5.5 = 11 ; 4.5 + 3.5 = 8 。由於沒有圓木長(zhǎng)為1單位，無法使11單位長(zhǎng)湊成12單位，因此這種情況不可能有解。B. 第二種情況：5.5 + 4.5 = 10 ; 5.5 + 3.5 = 9 。只能加一根2單位的圓木使10單位長(zhǎng)湊成12單位；加一根3單位的圓木使9單位長(zhǎng)湊成12單位。剩下的八根圓木長(zhǎng)度分別為10單位、9單位、6單位(3根)、4單位(2根)、3單位。由於剩下的圓木已經(jīng)沒有長(zhǎng)為2單位，無法使10單位長(zhǎng)的圓木湊成12單位，因此這種情況也不可能有解。以上兩種情況都不可能有解，這

6、個(gè)玩具根本沒有解答！但是為什麼木盒背面說明此遊戲確有2組解呢？是不是騙人的呢？如果不是騙人的，那是我們那裡弄錯(cuò)了呢？再仔細(xì)看看木盒上的遊戲目標(biāo)：”Can you get all 14 logs into the box and close the lid?” (您能將這14根圓木全部置入木盒中並合上蓋子嗎？) 它只要求我們將這14根圓木全部置入木盒中並合上蓋子，並沒有.四、問題解決忽然靈光一閃，誰(shuí)說圓木一定要全部以橫的方向放入木盒中呢(假設(shè)木盒較長(zhǎng)的部份以左右方向擺在面前)？何不試著讓2單位、3單位長(zhǎng)的圓木直放，甚至將2單位的圓木立放呢？若我們把圓木擺置方式全部左右對(duì)調(diào)或全部上下層對(duì)調(diào)的情形視

7、為相同。因此，我們依這三根圓木可放置的位置，分成幾種情況來討論：A. 三根圓木全部直放我們沒有長(zhǎng)為1單位的圓木，因此這三根圓木全部直放排列時(shí)不可以有留下1 x 1單位空隙的情形，於是它們有下列圖示幾種放置方式：註：塗有陰影的圓木表示放置在上層，虛線的圓木表示其位置可以在此層左右移動(dòng)。圖(1)的情形，剩下的十一根圓木長(zhǎng)度分別為10單位、9單位、6單位(3根) 、5.5單位(2根)、4.5單位、4單位(2根) 、3.5單位。我們要用這些圓木拼湊成10單位、9單位(二個(gè))、12單位(三個(gè))。10單位、9單位可各用一根圓木置入，剩下的圓木要拼湊成9單位、12單位(三個(gè))。為了要拼湊9單位只能用5.5單

8、位 + 3.5單位這兩根，於是5.5單位、4.5單位這兩根必須合併在一起。但是剩下的圓木已經(jīng)沒有長(zhǎng)為2單位，無法使10單位長(zhǎng)湊成12單位，因此這種情況不可能有解。圖(2)、圖(3)的情形與圖(1)的情形相同，要用剩下的十一根圓木拼湊成10單位、9單位(二個(gè))、12單位(三個(gè))，也是不可能有解。如圖(4)、圖(5)、圖(6)、圖(7)的情形，如果任意有一根3單位或2單位長(zhǎng)的圓木直放且不接觸木盒的左右兩壁，則此根圓木可能將木盒此層的空間分割為10 + 1 ; 9 + 2 ; 8 + 3 ; 7 + 4 ; 6 + 5單位等情形。每一種長(zhǎng)度至少有兩組，但是剩下的十一根圓木沒有1單位的圓木，無法填滿1

9、0 + 1單位的空間。剩下的十一根圓木沒有二根2單位的圓木，無法填滿9 + 2單位的空間。對(duì)於8 + 3單位、7 + 4單位、6 + 5單位的情形，剩下的十一根圓木已經(jīng)沒有多餘長(zhǎng)為3單位的圓木，使9單位長(zhǎng)的圓木湊成12單位。因此這些情況都不可能有解。如果任意有一根3單位或2單位長(zhǎng)的圓木直放且不接觸木盒的左右兩壁，無論其他的十三根圓木如何放置，也是都不可能有解。理由與上述相同。所以我們以後都可不必再討論圓木直放且不接觸木盒的左右兩壁的情況。圖(8)、圖(9)的情形，我們都要用剩下的十一根圓木拼湊成10單位(二個(gè))、11單位(四個(gè))。圖(10)、圖(11)、圖(12)的情形，我們都要用剩下的十一根

10、圓木拼湊成10單位(三個(gè))、11單位(二個(gè))、12單位。都是因?yàn)槲覀儧]有長(zhǎng)為3單位、2單位、1單位的圓木，使9單位長(zhǎng)的圓木湊成12單位、11單位或10單位，因此這些情況都不可能有解。B. 二根圓木直放這又可以分成兩種情況二根3單位圓木直放與一根3單位、一根2單位直放。它們放置的方式有下列圖示幾種情形：圖(13)的情形、圖(14)的情形，9單位的圓木因已經(jīng)沒有長(zhǎng)為3單位的圓木，無法湊成12單位，也沒有長(zhǎng)為1單位的圓木湊成10單位，因此這二種情況都不可能有解。圖(15)的情形、圖(16)的情形，10單位的圓木沒有長(zhǎng)為1單位的圓木湊成11單位，因此這二種情況也不可能有解。圖(17)的情形、圖(18)

11、的情形，我們要用剩下的十二根圓木拼湊成12單位(三個(gè))、 11單位、10單位(二個(gè))。 我們可以這樣拼湊：10 = 10 ; 6 + 4 = 10 ; 5.5 + 5.5 = 11 ; 9 + 3 = 12 ; 6 + 6 = 12 ; 4.5 + 4 + 3.5 = 12。這二種情況都有解，因其拼湊結(jié)構(gòu)基本相同，可視為同一組解。下層上層圖(19)的情形、 圖(20)的情形， 10單位的圓木因已經(jīng)沒有長(zhǎng)為2單位的圓木，無法湊成12單位，也沒有長(zhǎng)為1單位的圓木湊成11單位，因此這二種情況不可能有解。C.一根圓木直放這又可以分成兩種情況一根3單位或一根2單位直放。根據(jù)A項(xiàng)中對(duì)圖(4)(7)的分析，

12、我們可以排除圓木直放且不接觸木盒的左右兩壁的情形，因此它們放置的方式只有下列圖示情形：圖(21)的情形，要用剩下的十三根圓木拼湊成12單位(三個(gè))、 11單位(三個(gè)) 。11單位的長(zhǎng)度只能這樣拼湊：9 + 2 = 11 ; 5.5 + 5.5 = 11 ; 4.5 + 3.5 + 3 = 11或4 + 4 + 3 = 11。剩下的10單位圓木再也無法拼湊成12單位，因此這種情況不可能有解。圖(22)的情形，要用剩下的十三根圓木拼湊成12單位(四個(gè))、 11單位(二個(gè)) 。此時(shí)10單位圓木無法拼湊成11單位或12單位，因此這種情況也不可能有解。D.一根2單位長(zhǎng)圓木垂直豎放且不接觸木盒的左右兩壁圖

13、(23)的情形，則此根圓木左右側(cè)的空間可能為10 + 1 ; 9 + 2 ; 8 + 3 ; 7 + 4 ; 6 + 5單位等情形。每一種長(zhǎng)度至少要兩組，但是剩下的十一根圓木沒有1單位的圓木，無法填滿10 + 1單位的空間。剩下的十一根圓木沒有二根2單位的圓木，也無法填滿9 + 2單位的空間。雖然剩下的十一根圓木可能有二根3單位的圓木，可以填滿8 + 3單位的空間，但是已經(jīng)沒有多餘長(zhǎng)為3單位的圓木，使9單位長(zhǎng)的圓木湊成12單位。雖然剩下的十一根圓木可能有二根4單位的圓木，但是接著無法湊成兩組7單位的長(zhǎng)度來填滿7 + 4單位的空間。剩下的十一根圓木無法湊成一個(gè)5單位，無法填滿6 + 5單位的空間

14、。因此對(duì)於有一根2單位長(zhǎng)圓木垂直豎放且不接觸木盒的左右兩壁的情況，無論放在什麼位置，它們都不可能有解。E. 二根3單位長(zhǎng)圓木直放、一根2單位長(zhǎng)圓木垂直豎放排除2單位長(zhǎng)圓木垂直豎放且不接觸木盒的左右兩壁的情形，它們放置的方式有下列圖示幾種情形：圖(24)的情形，要用剩下的十一根圓木拼湊成12單位(二個(gè))、 11單位、10單位(二個(gè)) 、 9單位。 我們可以這樣拼湊：9 = 9 ; 10 = 10 ; 6 + 4 = 10 ; 5.5 + 5.5 = 11 ; 6 + 6 = 12 ; 4.5 + 4 + 3.5 = 12。這種情況又是一組解。下層上層圖(25)的情形，會(huì)造成一個(gè)1 x 2 的空隙

15、沒有圓木來填滿它，因此不可能有解。圖(26)的情形， 9單位的圓木因已經(jīng)沒有長(zhǎng)為3單位的圓木，無法湊成12單位，沒有長(zhǎng)為2單位的圓木湊成11單位，也沒有長(zhǎng)為1單位的圓木湊成10單位，因此這種情況也不可能有解。F. 一根3單位長(zhǎng)圓木直放、一根2單位長(zhǎng)圓木垂直豎放排除2單位長(zhǎng)圓木垂直豎放且不接觸木盒的左右兩壁的情形，它們放置的方式只有下列圖示一種情形：圖(27)的情形，要用剩下的十二根圓木拼湊成12單位(二個(gè))、 11單位(三個(gè))、10單位(二個(gè))。11單位的長(zhǎng)度只能這樣拼湊：5.5 + 5.5 = 11 ; 4.5 + 3.5 + 3 = 11或4 + 4 + 3 = 11。剩下的七根圓木再也無

16、法拼湊成一個(gè)11單位，因此這種情況也不可能有解。G.只有一根2單位長(zhǎng)圓木垂直豎放圖(28)的情形，要用剩下的十三根圓木拼湊成12單位(四個(gè))、 11單位(二個(gè)) 。此時(shí)10單位圓木無法拼湊成11單位或12單位，因此這種情況也不可能有解。因?yàn)槲覀円呀?jīng)把圓木所有可能擺置的情況都窮盡地討論完全，因此圓積木遊戲確實(shí)恰有二組解。五、研究心得與感想這個(gè)圓積木遊戲讓我們想起出國(guó)旅行時(shí)，在途中若從放的整整齊齊、裝的滿滿的行李中抽出物品，我們幾乎很難再把它順利地放回行李中。這個(gè)圓積木遊戲設(shè)計(jì)的太巧妙了！它故意把木柱設(shè)計(jì)成圓的，使我們的思維在不知不覺中受到牽制，主觀地認(rèn)為圓木必須橫放，而經(jīng)我們分析圓木橫放不可能有解的；這也是為什麼我