杨振宁最新趣文:跨越80年求解一个数学游戏

作者: 杨振宁

来源: 数学文化

发布日期: 2020-01-05 12:00:15

本文讲述了杨振宁先生对一个数学游戏的研究历史及其个人对该问题的最新解决方法,该游戏要求玩家通过移动相邻的棋子来达到黑白相间的结果。

移棋相间游戏最早被记载于我国清代康熙年间成书的笔记小说《坚瓠集》中,在日本和英国亦曾以“鸳鸯游戏”和“泰特问题”之名风行。它要求玩家将n个相邻的白色棋子和n个相邻的黑色棋子,通过移动相邻两子的方式得到“黑白相间”的结果。

《坚瓠集》中记录,清代顺治年间胡励之曾发现当3≤n≤10时,经过n次移动均可得到“黑白相间”现象。数百年后的1920年代,是年尚在读中学的数理统计学开创者之一、我国数学家许宝騄和他的好友、“新红学”开拓者俞平伯在阅读此书后,曾将上述规律推至二十棋子。许宝騄在一年后总结出“合四为一”的新规律,据称一分钟即可讲完,使人豁然贯通。然而,由于后来科学研究任务繁重,许先生最终也未能如愿将这一公式整理出来。

而对这一游戏规律的探寻,也就一直传承到了十余年后许宝騄任教的西南联大学生身上。在本文中,世界著名物理学家、诺贝尔物理学家杨振宁先生完整记录下了他对该问题“Modulo 4”解法的论证。

1940年前后,在西南联大物理系和数学系的师生们许多都喜欢玩一个移动2n个围棋子的游戏。我也对它花过不少时间,始终未能完全解决。20多年后在美国我重新研究它,终于解决了所有n=3,4,5……的游戏,可是没有把答案写下来,只记得解决的一个关键方法是modulo 4。

最近看到一本关于许宝騄的书,《道德文章垂范人间》,其中316页上有一篇俞润民的文章,说许曾研究“移棋相间法”,曾发现“合四为一之新律”。我猜,此新律恐怕就是后来我发现的modulo 4方法。

这几天重新研究此游戏,再度得到全解,在下面描述。游戏初始:p(3)六个棋子摆成一行,如 (1) ,黑子 (b) 在左,白子 (v) 在右。然后移动最左二子至最右,成 (2) ,再移动二子成 (3) ,再移动二子成 (4)。从 (1) 到 (4) ,三步移动,达到黑白相间是游戏 p(3) 的三步解。请注意,每次移动,必须是相邻二子,平行移动。

从 (31) 到 (39) 八步平行移动可以分成三段:第一段 (31) 到 (33) 两步。请注意中间八子 bbbbvvvv 完全不动。第二段 (33) 到 (37) 四步。请注意左右两端的 bvvb 和 vvbb 八子完全不动。第三段 (37) 到 (39) 两步。其中第一步先不动 (37) 的最左四子 bvvb, 只把最右四子的中间二子 vb 移到左面,成 (38) 。

第二步则把 (38) 中最左的 bv 二子移到右面成 (39)。

比较第二段 (33) 到 (37) 这四步,与 p(4) 的 (5) 到 (9) 这四步,前者去掉最左四子与最右四子就与后者完全雷同!!!也是说 p(4) 是 p(8) 的中心。p(8) 在中心以外还有第一段的两步和第三段的两步,以及左右八子,合起来形成一框,我们称它为外框。

至此我们已显示所有 n>3 时 p(n) 的解法。

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