A 15 [1] [2] [3] , tag [4] [5] , [2] [5] [6] játék egy népszerű kirakós játék , amelyet 1878 -ban Noah Chapman talált fel . A kirakós játék 15 egyforma négyzet alakú csontból áll, amelyekre számok vannak nyomtatva, négyzet alakú dobozban. A doboz oldalának hossza négyszerese a csont oldalának, így egy négyzetes mező kitöltetlenül marad a dobozban. A játék célja a lapkák növekvő sorrendbe helyezése a dobozon belüli mozgatással, lehetőleg a lehető legkevesebb mozdulattal.
1891 -től haláláig Samuel Loyd azt állította, hogy ő találta fel a rejtvényt, és sokáig azt hitték, hogy ez valóban így van [7] [8] . Azonban bizonyíték van arra, hogy nem vett részt sem a 14, sem a 15 zseton létrehozásában [9] [10] [11] [8] . A rejtvény népszerűségének csúcsa az Egyesült Államokban 1880 első felében volt; a "tizenötökkel" kapcsolatban azonban Sam Loydról 1891 januárjáig nem találtak említést [12] [10] . A The New York Times különösen kétszer publikált anyagokat a rejtvényről, 1880. március 22-én és 1880. június 11-én, anélkül, hogy egyszer is megemlítette volna Loydot, annak ellenére, hogy Loyd New Yorkban élt [13] .
A rejtvény igazi feltalálója Noah Palmer Chapman, egy canastotai postamester [ 14] [15] volt, aki még 1874-ben mutatott meg barátainak egy tizenhat számozott négyzetből álló rejtvényt, amelyet négyes sorokba kellett rakni, hogy a a számok minden sorban 34-gyel voltak egyenlők [16] .
Noah Chapman fia, Frank Chapman az elkészült rejtvényeket a New York állambeli Syracuse-ba hozta, majd Anna és James Beldennek adta [17] . Ők viszont elvitték a rejtvényt a Rhode Island állambeli Watch Hillbe , ahol a rejtvény másolatait készítettek [14] ; az egyik példány egy ismeretlen útvonalon Hartfordba [14] került , ahol az Amerikai Hallássérültek Iskolája diákjai elkezdték durva másolatokat készíteni a rejtvényről [14] . 1879-ben a puzzle-t már nemcsak Hartfordban, hanem Bostonban is árulták . Aztán Matthias J. Rice famunkás megismerte a „címkéket”. 1879 decemberében Matthias Rice új rejtvényüzletet indított Bostonban, The Gem Puzzle [18] [ 19] [20] néven .
1880 elején egy bizonyos Charles Pevey, egy worcesteri fogorvos felkeltette a közvélemény figyelmét azzal, hogy pénzjutalmat ajánlott fel egy rejtvény összeállításának problémájának megoldásáért, ami növelte az új játék népszerűségét. Az év tavaszán a játék elérte Európát .
1880. február 21-én Noah Chapman "Block Solitaire Puzzle" ("Puzzle-Solitaire with blocks") [21] néven próbált szabadalmat kérni találmányára , de a szabadalmi kérelmet elutasították; nem maradt fenn feljegyzés, amely megmagyarázná, miért történt ez [22] . Nyilvánvalóan ez annak volt köszönhető, hogy Burke szabadalmi felügyelő szerint az új bejelentés alig különbözött az Ernest W. Kinsey (Ernest U. Kinsey) által kiadott "Cunning Blocks", "Puzzle-Blocks" szabadalomtól [23] . ) több mint egy évvel azelőtt, hogy Noah Chapman benyújtotta kérelmét [24] [25] .
1880. január 6-án a Boston Evening Transcript megjelent egy hirdetés a Boss Puzzle nevű rejtvényről . Január 12-én a Boston Transcript több harmadik féltől származó verziót említett, köztük a Gem Puzzle -t , a Solitaire -t , a Fifteen -t és a Number Puzzle -t . Január 19-én ugyanebben az újságban bejelentették az Új rejtvény című rejtvényt ; másnap a Worcester Gazette megjelentette a The Boss Puzzle hirdetését . A rejtvény népszerűsége gyorsan nőtt, és a vállalkozók már elkezdték gyártani és értékesíteni [26] .
Január 26. és 30. között a Boston Evening Transcript közzétette Matthias Ries bejelentését, akit bosszantott a rejtvény másolatainak megjelenése. A közlemény szerint [27] :
Óvakodj a hamisítványoktól. Győződjön meg róla, hogy ezt az egy és csak gondosan kidolgozott, gondosan tesztelt puzzle-t szerezze be. |
Rice's Gem Puzzle. A Nagy Eredeti. Óvakodj az utánzatoktól. Ügyeljen arra, hogy ezt kérje, az egyetlen pontosan elkészített, teljesen megbízható Puzzle-t a piacon, és ne vegyen mást. |
1880 februárjában a rejtvényről részletes cikkek kezdtek megjelenni különböző újságokban [28] . Számos országos folyóirat, köztük a The Youth's Companion , az Illustrated Newspaper, a Harper's Weekly , a Scientific American , a The Independent hirdette a rejtvényt több héten keresztül [29] . A rejtvény híre más városokba is eljutott. Március elejére sok gyártó különböző néven adta ki a rejtvény verzióit [19] .
Február 12-én a Boston Herald közölt egy verset a rejtvényről, majd számos mű követte verses formában más lapokban 30] . Február 17-én a Rochester Democrat and Chronicle újság közölt egy cikket a rejtvény társadalomra gyakorolt hatásáról. Február 20-án a New York Ontario County Journal egy cikket közölt, amely a következőképpen szól [31] :
Valószínűleg N. P. Chapman, Canastota postafőnöke lesz az ország legátkozottabb embere a következő hetekben. 15 évesen feltalálta a játékot. |
Valószínűleg NP Chapman, a New York állambeli Canastota postafőnöke lesz az elkövetkező néhány hétben a legszívesebben átkozott ember az országban. Ő találta fel a „15 játékát”. |
1880. március 17-én a Boston Daily Advertiser közzétett egy cikket, amely a három hónappal ezelőtti bostoni "őrület kezdetét" írta le (1879. december) [28] .
Újsághirdetések és cikkek alapján a The 15 Puzzle szerzői, Slocum és Zonneveld arra a következtetésre jutottak, hogy a legtöbb városban az „őrület” egy-két hónapig tartott; azonban sok városban a feladvány népszerűvé vált a helyi újságokban való megjelenés előtt, és népszerű maradt a megjelenés megszűnésekor is [32] .
Az Egyesült Államokon kívül1880 márciusában a rejtvény kezdett elterjedni az Egyesült Államokon kívül. Március végéig elérte Kanadát és Franciaországot. Április folyamán az "őrület" elérte Angliát, Németországot, Lettországot, Ausztriát, Észtországot, Norvégiát, Svédországot, Oroszországot, Finnországot, májusban Új-Zélandot, Hollandiát, Olaszországot, Mexikót, Dániát, Ausztráliát [33] .
Oroszországban1880. április 25-én a St. Petersburg Herold feladott egy hirdetést német nyelven: "Neues Spiel - Das Spiel der Funfzehn" [34] ("Új játék - Játék 15 évesen").
Az 1879-ben Matthias Ries által készített és értékesített The Gem Puzzle -ban a játékos kiürítette a lapkákat egy dobozból, és véletlenszerűen visszatette, majd megpróbálta visszaállítani a rendelt konfigurációt [20] [10] :
Helyezze a blokkokat véletlenszerűen a dobozba, majd mozgassa őket, amíg a megfelelő sorrendben nem kerülnek sorba. |
Helyezze a blokkokat a dobozba szabálytalanul, majd mozgassa addig, amíg szabályos sorrendben van. |
Ebben a verzióban a probléma pontosan az esetek felében bizonyult megoldhatatlannak.
Egy másik változatban a 14-es és 15-ös kivételével minden csempe kezdetben a helyén van; a feladat a rosszul elhelyezett 14. és 15. lapkák felcserélése. Ez a feladat megoldhatatlan; azonban ebben az esetben a lapkákat elrendezheti egy üres cellával a bal felső sarokban, vagy sorba rendezheti a zsetonokat oszlopokba [35] .
Rizs. 1. A 14-15. rejtvény kiinduló helyzetében a 14-es és 15-ös lapkákat felcseréljük
Rizs. 2. Ez a hely nem érhető el a 14-15-ös kirakós kezdőhelyről (1. ábra)
Rizs. 3. De ez a hely elérhető a 14-15. kirakós kezdőhelyről (1. ábra)
Rizs. 4. Egy másik elérhető hely a 14-15. rejtvényhez (1. ábra)
A puzzle számos változata megjelent. Egyes kiviteli alakoknál a számok rendezése helyett valamilyen kép visszaállítása a cél. Számok helyett betűk is használhatók; legalább két egyforma betű jelenléte nem triviális feladattá teheti a rejtvény megfejtését.
Az elefánt állva alszik. És te?
Angolul ("Measure your mind, my friend") [8]
németül ("Munka nélkül nincs jutalom")
Az egyik feladat a csempék átrendezése oly módon, hogy az egyes sorok számainak összege (vízszintes, függőleges vagy nagy átlós) azonos számmal egyenlő legyen ; míg egy üres cella számértékét nullának tekintjük [36] [37] . Ebben az esetben a varázslat összege 30. Legalább 35 mozdulat szükséges ahhoz, hogy a varázsnégyzet a kiindulási helyről kerüljön, és csak egy varázsmező érhető el 35 mozdulattal [38] .
Kimutatható, hogy a címkék összes lehetséges 20 922 789 888 000 (=16 ! ) kezdőpozíciójának pontosan a fele nem hozható az összeállított formába. Legyen egy számmal rendelkező csempe (ha balról jobbra és fentről lefelé számol) olyan lapkák előtt, amelyeknél kisebb a szám ; akkor jelöljük . Különösen, ha egy számmal rendelkező csempe után nincs olyan csempe, amely kisebb, mint , akkor . Beírunk egy számot is – az üres cella sorának számát (1-től számítva). Ha az összeg
(azaz azoknak a csontpároknak az összege, amelyekben a nagyobb számú csont a kisebb számú csont elé kerül, és egy üres cella sorszámának összege) páratlan , akkor nincs megoldás a rejtvény [39] [3] .
Ha hagyjuk, hogy a doboz 90 fokkal elforduljon, amelyben a számok képei az oldalukon hevernek, akkor lehetséges a megoldhatatlan kombinációk oldhatóvá alakítása (és fordítva). Így ha a számok helyett pontokat teszünk a csuklókra, és nem rögzítjük a doboz helyzetét, akkor egyáltalán nem lesznek megoldhatatlan kombinációk.
Az általánosított címkék esetében (több mint 15 csempével) egy adott konfigurációra a legrövidebb megoldás megtalálásának problémája NP-teljes [40] [41] .
A „klasszikus” 4 × 4-es rejtvény 10 461 394 944 000 megoldható konfigurációja közül bármelyik legfeljebb 80 mozdulattal konvertálható az eredetire, ha a lépés alatt egy lapka mozgását értjük [42] [43] [38] [44 ] , vagy legfeljebb 43 lépésben, ha mozdulat alatt legfeljebb három lapkából álló folyamatos sor egyidejű mozgását értjük [45] . A feloldható konfigurációk közül csak 17 nem oldható meg 80 lépésnél kevesebbel, vagyis ezek megoldásához 80 lépésre van szükség az egyes lapkákból [43] [38] [46] ; csak 16 feloldható konfigurációhoz van szükség 43 folyamatos lapkasor mozgatására [45] .
1995-ben kimutatták, hogy egy 5 × 5-ös rejtvény tetszőleges konfigurációja legfeljebb 219 egyszeri mozdulattal oldható meg [47] , azaz 219 lépésből álló felső korlátot kaptunk az optimális megoldás hosszára egy tetszőlegesre. konfigurációt. 1996-ban találtak egy olyan konfigurációt, amely nem oldható meg 112 lapkalépésnél kevesebbel [48] . 2000-ben a felső határt 210 lépésre javították [49] ; 2011-ben az 5 × 5-ös kirakó „ Isten száma ” egy 152 lépésből álló alsó és egy 208 lépésből álló felső korlátot kaptak [44] .
A táblázat a „címkék” számos általánosításának adatait foglalja össze. Ha a pontos eredmény nem ismert, a legismertebb alsó és felső határértéket lb - ub formában adjuk meg .
A méret | Célkonfiguráció | A megoldandó konfigurációk száma |
"Hosszú" mozdulatok [K 1] |
" Isten száma " | Az "antipódok" száma [K 2] |
---|---|---|---|---|---|
2 × 2 | üres doboz a sarokban | 12 | Nem | 6 [49] [50] | 1 [49] |
2 × 3 | üres doboz a sarokban | 360 | Nem | 21 [49] [50] | 1 [49] |
2 × 4 | üres doboz a sarokban | 20 160 | Nem | 36 [49] [50] | 1 [49] |
2 × 5 | üres doboz a sarokban | 1 814 400 | Nem | 55 [51] [50] | 2 [51] |
2 × 6 | üres doboz a sarokban | 239 500 800 | Nem | 80 [52] [50] | 2 [52] |
2 × 7 | üres doboz a sarokban | 43 589 145 600 | Nem | 108 [53] [50] | |
2 × 8 | üres doboz a sarokban | 10 461 394 944 000 | Nem | 140 [53] [50] | |
3 × 3 | üres doboz a sarokban | 181 440 | Nem | 31 [49] [44] [50] | 2 [49] [54] |
Igen | 24 [44] | ||||
3 × 4 | üres doboz a sarokban | 239 500 800 | Nem | 53 [49] [50] | 18 [49] |
3 × 5 | üres doboz a sarokban | 653 837 184 000 | Nem | 84 [50] | |
3 × 5 | üres cella közepén | 653 837 184 000 | Nem | 84 [55] | |
4 × 4 | üres doboz a sarokban | 10 461 394 944 000 | Nem | 80 [43] [38] [44] [50] | 17 [43] [38] [46] |
Igen | 43 [45] | 16 [45] | |||
5 × 5 | üres doboz a sarokban | 7,7556⋅10 24 | Nem | 152 [44] - 208 [44] |
Az 1960-as évek óta rendszeresen használnak különféle méretű "tizenöt"-et az MI - kutatásban ; különösen tesztelik és hasonlítják össze a különböző heurisztikus függvényekkel [56] [57] [58] [59] rendelkező állapottér-keresési algoritmusokat és egyéb olyan optimalizációkat, amelyek befolyásolják a keresési folyamat során felkeresett rejtvénykonfigurációk (gráfcsúcsok) számát. A tanulmányokban így vagy úgy, 3 × 3 [60] [61] , 4 × 4 [62] [63] [43] , 5 × 5 [48] [64] [65] , 6 × méretű rejtvények szerepeltek. 6 [66] volt , 2 × 7 [55] , 3 × 5 [55] .
Felsorolhatjuk a fő okokat, amelyek miatt a címkéket választották a keresési algoritmusok "tesztágyaként" [67] [40] [68] :
Algoritmus A* , IDA* [73] , szélesség első keresés használható keresési algoritmusként .
A 3 × 3-as rejtvény könnyen megoldható bármely keresési algoritmussal. A 4 × 4-es címkék tetszőleges konfigurációit modern keresőalgoritmusok segítségével néhány ezredmásodperc alatt megoldják [57] . Az 5 × 5-ös rejtvény optimális megoldása még a modern számítógépek és algoritmusok használatával is több erőforrást igényel [57] [64] ; a keresési folyamat több hétig is eltarthat, és több billió csomópontot generál [65] [66] . A 6 × 6-os rejtvény tetszőleges konfigurációinak optimális megoldása még mindig meghaladja a lehetőségeket [66] , ezért a tanulmányok csak az IDA* algoritmus relatív teljesítményét próbálják megjósolni különböző heurisztikus függvényekkel [66] .
A címkék egyik legegyszerűbb heurisztikája a következőképpen fejezhető ki [74] [75] [76] :
A megoldáshoz szükséges lépések száma nem kevesebb, mint a nem helyén lévő lapkák száma.Az állítás helyessége, vagyis a "nem a helyükön lévő lapkák száma" heurisztikus függvény elfogadhatósága abból következik, hogy egy mozdulattal csak egy lapkát lehet a helyére tenni. Ez a heurisztika nem használja fel az összes rendelkezésre álló információt: például nem veszi figyelembe, hogy az egyes csempéket mekkora távolságra kell mozgatni.
Egy intelligensebb heurisztika hozzárendeli az egyes lapkák helyéhez az egyes lapkák aktuális pozíciója és a célpozíció közötti távolságok összegét [77] . A szakirodalomban ez a heurisztika "Manhattan távolság" (Manhattan distance) néven található [76] [78] . A függvény érvényessége abból adódik, hogy lépésenként csak egy bábu mozog, és a távolság e bábu és a végső pozíciója között 1-gyel változik. Ez a heurisztika azonban szintén nem használja fel az összes rendelkezésre álló információt, mivel egy pozícióban két lapka nem lehet egyszerre. A "Manhattan távolságnak" vannak tájékozottabb változatai, mint például a Lineáris konfliktus [58] .
A mintaadatbázisokon [63] [64] [59] alapuló heurisztikákat fejlesztettek ki , hogy gyorsan megtalálják az optimális megoldást egy 4 × 4-es rejtvényre, valamint képesek legyenek megtalálni az optimális megoldást egy 5 × 5-ös rejtvényre ésszerű keretek között. idő . Az ilyen heurisztika lényegében a RAM-ban előre kiszámított és tárolt táblázatok, amelyekben a részfeladatok optimális megoldásai vannak kódolva; az egyes részfeladatok egy bizonyos csempecsoport célpozíciókra való mozgatásához vezetnek [63] . Ezek a heurisztikák a Rubik-kockára és más rejtvényekre is alkalmazhatók [64] .
NP-teljes problémák | |
---|---|
A halmozás (csomagolás) maximalizálási problémája |
|
gráfelmélet halmazelmélet | |
Algoritmikus problémák | |
Logikai játékok és rejtvények | |