Hra 15 [1] [2] [3] , tag [4] [5] , převzato [2] [5] [6] je populární logická hra , kterou v roce 1878 vymyslel Noah Chapman. Puzzle je sada 15 stejných čtvercových kostí s natištěnými čísly, které leží ve čtvercové krabici. Délka strany krabice je čtyřikrát větší než délka strany kosti, takže jedno čtvercové pole zůstane v krabici nevyplněné. Cílem hry je uspořádat dlaždice ve vzestupném pořadí jejich pohybem uvnitř krabice, nejlépe s co nejmenším počtem tahů.
Od roku 1891 až do své smrti Samuel Loyd tvrdil, že to byl on, kdo vynalezl hlavolam, a dlouho se věřilo, že tomu tak skutečně bylo [7] [8] . Existují však důkazy, že se nepodílel ani na vytvoření čipů 14 a 15 [9] [10] [11] [8] . Vrchol popularity hlavolamu ve Spojených státech přišel v první polovině roku 1880; žádná zmínka o Samu Loydovi v souvislosti s „patnáctkou“ však nebyla nalezena až do ledna 1891 [12] [10] . Konkrétně The New York Times zveřejnil materiály o hádance dvakrát, 22. března 1880 a 11. června 1880, aniž by se jednou zmínil o Loydovi, a to navzdory skutečnosti, že Loyd žil v New Yorku [13] .
Skutečným vynálezcem hlavolamu byl Noah Palmer Chapman, poštmistr z Canastoty [14] [15] , který již v roce 1874 ukázal svým přátelům hlavolam sestávající z šestnácti očíslovaných čtverců, které bylo nutné poskládat do řad po čtyřech tak, aby součet čísla v každém řádku byla rovna 34 [16] .
Syn Noaha Chapmana, Frank Chapman, přinesl hotové hádanky do Syrakus v New Yorku a dal je Anně a Jamesi Beldenovým [17] . Oni zase vzali hádanku do Watch Hill, Rhode Island , kde byly vyrobeny kopie hádanky [14] ; jedna z těchto kopií se dostala neznámou cestou do Hartfordu [14] , kde studenti Americké školy pro sluchově postižené začali vytvářet hrubé kopie hádanky [14] . V roce 1879 se puzzle již prodávalo nejen v Hartfordu, ale také v Bostonu . Poté se o „značkách“ dozvěděl dřevozpracující dělník Matthias J. Rice. V prosinci 1879 zahájil Matthias Rice v Bostonu nový obchod s puzzle s názvem The Gem Puzzle [18] [ 19] [20] .
Počátkem roku 1880 jistý Charles Pevey, worcesterský zubař , upoutal pozornost veřejnosti tím, že nabídl peněžní odměnu za vyřešení problému se složením puzzle, což přispělo k popularitě nové hry. Na jaře téhož roku se hra dostala do Evropy .
21. února 1880 se Noah Chapman pokusil požádat o patent na svůj vynález pod názvem „Block Solitaire Puzzle“ („Hádanka-solitaire s bloky“) [21] , ale přihláška patentu byla zamítnuta; nedochoval se žádný záznam vysvětlující, proč se tak stalo [22] . Zřejmě to bylo způsobeno tím, že podle patentového inspektora Burkea se nová přihláška jen málo lišila od patentu [23] "Cunning Blocks", "Puzzle-Blocks", vydaného Ernestu W. Kinseymu (Ernest U. Kinsey ) více než rok předtím, než Noah Chapman podal svou žádost [24] [25] .
6. ledna 1880 se Boston Evening Transcript objevila reklama na hádanku nazvanou Boss Puzzle . 12. ledna Bostonský přepis zmínil několik verzí třetích stran, včetně Gem Puzzle , Solitaire , Fifteen a Number Puzzle . 19. ledna byla ve stejných novinách oznámena hádanka s názvem The New Puzzle ; hned druhý den se ve Worcester Gazette objevila reklama na The Boss Puzzle . Obliba hlavolamu rychle rostla a podnikatelé jej již začali vyrábět a prodávat [26] .
Mezi 26. a 30. lednem Boston Evening Transcript zveřejnil oznámení Matthiase Riese, kterého rozčiluje výskyt kopií hádanky. V oznámení bylo uvedeno [27] :
Pozor na padělky. Ujistěte se, že získáte toto jediné a pouze pečlivě vytvořené, pečlivě testované puzzle. |
Rice's Gem Puzzle. Velký originál. Pozor na imitace. Ujistěte se, že si vyžádáte toto, jediné přesně vyrobené, naprosto spolehlivé puzzle na trhu, a neberte si žádné jiné. |
V únoru 1880 se začaly v různých novinách objevovat podrobné články o hlavolamu [28] . Řada národních časopisů, včetně The Youth's Companion , Illustrated Newspaper, Harper's Weekly , Scientific American , The Independent , inzerovala hádanku několik týdnů [29] . Zpráva o hádance se rozšířila do dalších měst. Začátkem března mnoho výrobců uvolňovalo verze skládačky pod různými jmény [19] .
12. února Boston Herald publikoval báseň o hlavolamu, po níž následovala řada prací ve formě veršů v jiných listech 30] . 17. února noviny Rochester Democrat and Chronicle zveřejnily článek o dopadu hádanky na společnost. 20. února publikoval New York Ontario County Journal článek, který zní takto [31] :
Pravděpodobně N. P. Chapman, poštmistr z Canastoty, bude v příštích týdnech nejprokletejším mužem v zemi. Hru vymyslel v 15 letech. |
Pravděpodobně NP Chapman, poštmistr z Canastoty, NY, bude během nadcházejících několika týdnů nejsrdečněji prokletým mužem v zemi. Vynalezl 'Hru 15'. |
17. března 1880 zveřejnil Boston Daily Advertiser článek, který popisoval „začátek šílenství“ v Bostonu před třemi měsíci (prosinec 1879) [28] .
Na základě novinových inzerátů a článků došli autoři The 15 Puzzle Slocum a Zonneveld k závěru, že ve většině měst „šílenství“ trvalo jeden až dva měsíce; nicméně, v mnoha městech hlavolam stal se populární před publikací v místních novinách a zůstal populární dokonce když publikace přestala [32] .
Mimo USAV březnu 1880 se hádanka začala šířit mimo Spojené státy. Do konce března se dostala do Kanady a Francie. Během dubna zasáhlo „šílenství“ Anglii, Německo, Lotyšsko, Rakousko, Estonsko, Norsko, Švédsko, Rusko, Finsko, v květnu pak Nový Zéland, Holandsko, Itálie, Mexiko, Dánsko, Austrálie [33] .
V RuskuDne 25. dubna 1880 byl kostel sv. Petersburg Herold zveřejnil inzerát v němčině "Neues Spiel - Das Spiel der Funfzehn" [34] ("Nová hra - hra v 15").
Ve hře The Gem Puzzle , kterou vyrobil a prodal Matthias Ries v roce 1879, hráč vysypal destičky z krabice a náhodně je umístil zpět, načež se pokusil obnovit objednanou konfiguraci [20] [10] :
Umístěte bloky do krabice náhodně a poté je posouvejte, dokud se neseřadí ve správném pořadí. |
Umístěte bloky do krabice nepravidelně a poté se pohybujte, dokud nebudou v pravidelném pořadí. |
V této verzi se problém ukázal jako neřešitelný přesně v polovině případů.
V jiné verzi jsou všechny dlaždice kromě 14 a 15 zpočátku na svém místě; úkolem je prohodit špatně umístěné destičky 14 a 15. Tento úkol je neřešitelný; v tomto případě však můžete uspořádat dlaždice s prázdnou buňkou v levém horním rohu nebo seřadit žetony do sloupců [35] .
Rýže. 1. Na výchozí pozici v hádance 14-15 jsou destičky 14 a 15 prohozeny
Rýže. 2. Tato lokace není dosažitelná ze startovní lokace 14-15 (obr. 1)
Rýže. 3. Ale toto umístění je dosažitelné ze startovního místa puzzle 14-15 (obr. 1)
Rýže. 4. Další dosažitelné umístění pro puzzle 14-15 (obr. 1)
Bylo vydáno mnoho variant skládačky. V některých provedeních je cílem namísto objednávacích čísel obnovit nějaký obraz. Místo číslic lze použít písmena; přítomnost alespoň dvou stejných písmen může udělat z vyřešení hádanky netriviální úkol.
Slon spí ve stoje. a ty?
V angličtině („Measure your mind, my friend“) [8]
V němčině („Bez práce není odměny“)
Jedním z úkolů je přeskupit dlaždice tak, aby součet čísel v každém řádku (horizontální, vertikální nebo velká úhlopříčka) byl roven stejnému číslu ; zatímco číselná hodnota prázdné buňky je považována za rovnou nule [36] [37] . V tomto případě je magický součet 30. Získání magického pole ze startovního místa trvá nejméně 35 tahů a existuje pouze jedno magické pole, kterého lze dosáhnout za 35 tahů [38] .
Lze ukázat, že přesně polovinu ze všech možných 20 922 789 888 000 (=16 ! ) počátečních pozic tagů nelze přenést do sestavené podoby. Nechte dlaždici s číslem před (pokud počítáte zleva doprava a shora dolů) dlaždicemi s čísly menšími než ; pak označíme . Zejména pokud po dlaždici s číslem nejsou žádné dlaždice s čísly menšími než , pak . Dále zadáme číslo — číslo řádku prázdné buňky (počítáno od 1). Pokud částka
(tj. součet počtu párů kostí, ve kterých kost s vyšším číslem předchází kosti s menším číslem, a počtu řady prázdné buňky) je lichý , pak neexistuje žádné řešení hádanka [39] [3] .
Pokud necháme o 90 stupňů otočit krabičku, ve které budou obrázky čísel ležet na boku, pak je možné neřešitelné kombinace převést na rozpustné (a naopak). Pokud tedy místo čísel na klouby dáte tečky a nefixujete polohu rámečku, nebudou vůbec žádné neřešitelné kombinace.
U zobecněných tagů (s více než 15 dlaždicemi) je problém najít nejkratší řešení pro danou konfiguraci NP-complete [40] [41] .
Kteroukoli z 10 461 394 944 000 řešitelných konfigurací „klasického“ puzzle 4 × 4 lze převést na výchozí maximálně za 80 tahů, pokud tahem rozumíme pohyb jedné dlaždice [42] [43] [38] [44 ] , nebo ne více než ve 43 tazích, pokud tahem rozumíme současný pohyb souvislé řady nejvýše tří dlaždic [45] . Pouze 17 ze všech řešitelných konfigurací nelze vyřešit za méně než 80 tahů, tj. jejich vyřešení vyžaduje 80 tahů jednotlivých dlaždic [43] [38] [46] ; pouze 16 řešitelných konfigurací vyžaduje 43 pohybů souvislých řad dlaždic [45] .
V roce 1995 se ukázalo, že jakoukoli konfiguraci hlavolamu 5 × 5 lze vyřešit nanejvýš 219 jednotlivými tahy [47] , to znamená, že byla získána horní hranice 219 tahů pro délku optimálního řešení libovolného konfigurace. V roce 1996 byla nalezena konfigurace, kterou nelze vyřešit za méně než 112 tahů dlaždicemi [48] . V roce 2000 byla horní hranice vylepšena na 210 tahů [49] ; v roce 2011 byla získána dolní hranice 152 tahů a horní hranice 208 tahů pro „ Boží číslo “ hádanky 5 × 5 [44] .
Tabulka shrnuje data pro řadu zobecnění „tagů“. Pokud není znám přesný výsledek, nejznámější dolní a horní hranice jsou uvedeny ve tvaru lb - ub .
Velikost | Cílová konfigurace | Počet konfigurací k řešení |
"Dlouhé" pohyby [K 1] |
" Boží číslo " | Počet "antipodů" [K 2] |
---|---|---|---|---|---|
2 × 2 | prázdná krabice v rohu | 12 | Ne | 6 [49] [50] | 1 [49] |
2 × 3 | prázdná krabice v rohu | 360 | Ne | 21 [49] [50] | 1 [49] |
2 × 4 | prázdná krabice v rohu | 20 160 | Ne | 36 [49] [50] | 1 [49] |
2 × 5 | prázdná krabice v rohu | 1 814 400 | Ne | 55 [51] [50] | 2 [51] |
2 × 6 | prázdná krabice v rohu | 239 500 800 | Ne | 80 [52] [50] | 2 [52] |
2 × 7 | prázdná krabice v rohu | 43 589 145 600 | Ne | 108 [53] [50] | |
2 × 8 | prázdná krabice v rohu | 10 461 394 944 000 | Ne | 140 [53] [50] | |
3 × 3 | prázdná krabice v rohu | 181 440 | Ne | 31 [49] [44] [50] | 2 [49] [54] |
Ano | 24 [44] | ||||
3 × 4 | prázdná krabice v rohu | 239 500 800 | Ne | 53 [49] [50] | 18 [49] |
3 × 5 | prázdná krabice v rohu | 653 837 184 000 | Ne | 84 [50] | |
3 × 5 | prázdná buňka uprostřed | 653 837 184 000 | Ne | 84 [55] | |
4 × 4 | prázdná krabice v rohu | 10 461 394 944 000 | Ne | 80 [43] [38] [44] [50] | 17 [43] [38] [46] |
Ano | 43 [45] | 16 [45] | |||
5 × 5 | prázdná krabice v rohu | 7,7556⋅10 24 | Ne | 152 [44] - 208 [44] |
"Patnáctky" různých velikostí byly pravidelně používány ve výzkumu AI od 60. let 20. století ; zejména testují a porovnávají vyhledávací algoritmy ve stavovém prostoru s různými heuristickými funkcemi [56] [57] [58] [59] a dalšími optimalizacemi, které ovlivňují počet konfigurací hádanek (vrcholů grafu) navštívených v procesu vyhledávání. Ve studiích, tak či onak, hádanky o velikostech 3 × 3 [60] [61] , 4 × 4 [62] [63] [43] , 5 × 5 [48] [64] [65] , 6 × Bylo použito 6 [66] , 2 × 7 [55] , 3 × 5 [55] .
Je možné vyjmenovat hlavní důvody pro výběr tagů jako "testovací základny" pro vyhledávací algoritmy [67] [40] [68] :
Algoritmus A* , IDA* [73] , prohledávání šířky lze použít jako vyhledávací algoritmus .
Hádanka 3 × 3 je snadno vyřešena jakýmkoli vyhledávacím algoritmem. Libovolné konfigurace 4 × 4 tagů jsou řešeny pomocí moderních vyhledávacích algoritmů během několika milisekund [57] . Optimální řešení hlavolamu 5 × 5 vyžaduje více prostředků i při použití moderních počítačů a algoritmů [57] [64] ; proces vyhledávání může trvat několik týdnů a generovat biliony uzlů [65] [66] . Optimální řešení libovolných konfigurací hlavolamu 6 × 6 je stále mimo možnosti [66] , a proto se studie snaží pouze předpovědět relativní výkon algoritmu IDA* s různými heuristickými funkcemi [66] .
Jedna z nejjednodušších heuristik pro značky může být vyjádřena následovně [74] [75] [76] :
Počet tahů potřebných k vyřešení není menší než počet destiček, které nejsou na svém místě.Správnost tvrzení, tedy přípustnost heuristické funkce „počet destiček, které nejsou na svých místech“, vyplývá z toho, že jedním tahem lze položit pouze jednu destičku. Tato heuristika nevyužívá všechny dostupné informace: například nebere v úvahu vzdálenosti, o které se musí jednotlivé dlaždice posunout.
Chytřejší heuristika přiřadí každému umístění dlaždice součet vzdáleností od aktuální pozice každé dlaždice k cílové poloze [77] . V literatuře se tato heuristika nachází pod názvem „Manhattan distance“ (Manhattan distance) [76] [78] . Platnost funkce vyplývá ze skutečnosti, že za tah se pohne pouze jedna figurka a vzdálenost mezi touto figurkou a její konečnou polohou se změní o 1. Tato heuristika však také nevyužívá všechny dostupné informace, protože v jedna pozice dvě dlaždice nemohou být současně. Existují informovanější verze „manhattanské vzdálenosti“, jako je lineární konflikt [58] .
Heuristika založená na databázích vzorů [63] [64] [59] byla vyvinuta tak, aby rychle nalezla optimální řešení hádanky 4 × 4 a také aby bylo možné najít optimální řešení hádanky 5 × 5 za rozumnou cenu. čas . Takové heuristiky jsou v podstatě tabulky předem vypočítané a uložené v paměti RAM, ve kterých jsou zakódována optimální řešení dílčích úloh; každý z dílčích úkolů se scvrkává na přesun určité skupiny dlaždic na cílové pozice [63] . Tyto heuristiky lze také aplikovat na Rubikovu kostku a další hádanky [64] .
NP-úplné problémy | |
---|---|
Maximalizační problém stohování (balení) |
|
teorie grafů teorie množin | |
Algoritmické problémy | |
Logické hry a hádanky | |