MathLabs
Định lýĐã chứng minh

Bất biến chẵn lẻ Loyd–Johnson cho trò chơi 15 ô

Phát biểu

Trong trò chơi trượt 1515 ô trên bảng 4×44\times 4, gọi N(s)N(s) là số nghịch thế của các ô số (các cặp (i,j)(i,j) với i>ji > j sao cho ô ii đứng trước ô jj theo thứ tự đọc từng hàng từ trái sang phải) và r(s)∈{1,2,3,4}r(s) \in \{1,2,3,4\} là chỉ số hàng của ô trống, hay tương đương d(s)d(s) là khoảng cách Manhattan của ô trống tới góc dưới phải. Khi đó tính chẵn lẻ (N(s)+r(s)) mod 2(N(s) + r(s)) \bmod 2 là bất biến qua mọi bước trượt hợp lệ. Đặc biệt, cấu hình chỉ đổi chỗ hai ô 1414 và 1515 là vô nghiệm.

Vì sao đúng?

Một bước trượt ngang giữ nguyên hoàn toàn thứ tự đọc theo hàng của 1515 ô số, trong khi một bước trượt dọc đưa một ô nhảy qua đúng 33 ô số khác trong thứ tự hàng (làm số nghịch thế thay đổi ±1\pm 1 hoặc ±3\pm 3, luôn là số lẻ) và đồng thời làm hàng của ô trống r(s)r(s) thay đổi ±1\pm 1.

Phác thảo chứng minh

Bước 1 (trượt ngang). Khi ô trống trượt sang trái hoặc phải trong cùng một hàng, không có ô số nào đổi vị trí trong dãy đọc theo hàng của 1515 ô số, và ô trống vẫn ở hàng r(s)r(s). Do đó ΔN=0\Delta N = 0 và Δr=0\Delta r = 0, nên N(s)+r(s)N(s) + r(s) không đổi.

Bước 2 (trượt dọc). Khi ô trống trượt lên hoặc xuống, ô số tt chuyển vào vị trí cũ của ô trống sẽ dịch chuyển đúng 33 vị trí trong dãy đọc theo hàng của 1515 ô số. Đi qua mỗi ô trong 33 ô đó sẽ đảo trạng thái nghịch thế của cặp (t,u)(t, u), làm N(s)N(s) thay đổi +1+1 hoặc −1-1 cho mỗi ô. Tổng thay đổi là ΔN∈{−3,−1,+1,+3}\Delta N \in \{-3, -1, +1, +3\}, luôn là số lẻ. Đồng thời Δr∈{−1,+1}\Delta r \in \{-1, +1\} cũng lẻ, nên Δ(N+r)\Delta(N + r) là số chẵn.

Bước 3 (đổi chỗ 14 và 15). Đổi chỗ hai ô 1414 và 1515 khi ô trống giữ nguyên ở hàng r=4r = 4 làm N(s)N(s) tăng thêm +1+1 (từ 00 lên 11) trong khi Δr=0\Delta r = 0. Vì vậy (N+r) mod 2(N + r) \bmod 2 khác nhau giữa trạng thái đầu (1+4≡1(mod2)1 + 4 \equiv 1 \pmod 2) và trạng thái đích (0+4≡0(mod2)0 + 4 \equiv 0 \pmod 2), chứng minh không có dãy bước trượt hợp lệ nào đạt tới trạng thái đích.

Chủ đề chứa định lý này

Chứng minh từng bước

Chưa có chứng minh từng bước cho định lý này.

Tài liệu tham khảo

  1. Arthur Engel (1998). Problem-Solving Strategies · DOI:10.1007/b97682
  2. Jessica Striker (2017). Dynamical Algebraic Combinatorics: Promotion, Rowmotion, and Resonance · DOI:10.1090/noti1539