Кіріспе

Бес квадраттан құралған геометриялық пішін, грек тіліндегі "5" саны мен "домино" сөзінен туындаған; пентомино (немесе 5 омино) – 5-ретті полиомино, яғни жазықтықтағы 5 бірдей өлшемді квадраттардың қабырғаларымен біріккен көпбұрыш. Егер бұрылу мен көрініс ерекше пішін деп есептелмесе, 12 түрлі бос пентомино бар. Көріністер ерекше деп есептелгенде, 18 бір жақты пентомино бар. Бұрылулар да ерекше деп есептелгенде, 63 бекітілген пентомино бар. Пентоминомен құймақтар құрастыру және ойындар ойын-сауық математикасында кең таралған. Көбінесе Tetris-тің ұқсас нұсқалары мен Rampart сияқты бейне ойындар айнадағы көріністі ерекше деп санайды, сондықтан 18 бір жақты пентоминоның толық жиынтығын пайдаланады. (Тетрис өзі 4 квадрат пішінді пайдаланады.) Он екі пентоминоның әрқайсысы Конвей критерийін қанағаттандырады, сондықтан әрбір пентомино жазықтықты мозаикамен жабуға қабілетті. Әрбір хиральды пентомино жазықтықты айналдырмай-ақ кескілеп бөле алады.

Тарих

Ең алғашқы пантоминоның толық жиынтығын қамтитын жұмбақ Генри Дюденейдің 1907 жылы жарық көрген «Кентербери жұмбақтары» кітабында пайда болды. Пентаминоның толық жиынтығы бар тіктөртбұрыштардың ең алғашқы мозаикалары 1935 жылы «Проблематист жұлдызды шахмат қосымшасында» пайда болды, ал одан әрі мозаикалау мәселелері PFCS-де және оның мұрагері «Жұлдызды шахмат шолуында» зерттелді. Пентаминоны 1953 жылы және кейіннен 1965 жылы жарық көрген «Полиомино: жұмбақтар, үлгілер, проблемалар және жинаулар» кітабында америкалық профессор Соломон В. Голомб ресми түрде анықтады. Оларды жалпы жұртшылыққа Мартин Гарднер өзінің 1965 жылғы қазан айындағы «Scientific American» журналындағы «Математикалық ойындар» рубрикасында таныстырды. Голомб «пентомино» терминін ежелгі гректің πέντε / pénte, «бес» сөзінен және «домино» сөзінің «омино» бөлігінен жасады, «домино» сөзіндегі «d» әрпін грек тіліндегі «di» (екі) префиксінің түрі ретінде қияли түрде түсіндірді. Голомб 12 еркін пентоминоны латын әліпбиінің оларға ұқсайтын әріптерімен атады, «FILiPiNo» (TUVWXYZ) еске алу жолын қолданды. Джон Хортон Конвей пентоминолар үшін басқаша белгілеу жүйесін ұсынды, онда O әрпі I әрпінің орнына, Q әрпі L әрпінің орнына, R әрпі F әрпінің орнына және S әрпі N әрпінің орнына қолданылады. Әріптерге ұқсастық, әсіресе O пентомино үшін, аздау, бірақ бұл жүйенің артықшылығы бар. Ол Конвейдің «Өмір ойыны» туралы талқылау кезінде конвенция бойынша қолданылады, мысалы, F пентоминоның орнына R пентомино туралы айтылады.

Тақташаларды (2D)

Стандартты пентомино жұмбағы – тікбұрышты қорапты пентоминолармен қаптау, яғни оны үстіне жабыспай және бос орын қалдырмай жабу. 12 пентоминоның әрқайсысы 5 бірлік шаршыдан тұрады, сондықтан қораптың ауданы 60 бірлік болуы керек. Мүмкін болатын өлшемдер: 6×10, 5×12, 4×15 және 3×20. 6×10 жағдайы алғаш рет 1960 жылы Колин Брайан Хаселгроув пен Дженифер Хаселгроувтар шешкен. Барлығы 2339 шешім бар, бірақ бұл шешімдерге тікбұрыштың толық айналуы мен кері бұрылуынан туындаған тривиальды өзгерістер кірмейді, бірақ пентоминолардың бір бөлігінің айналуы мен кері бұрылуы кіреді (кейде бұл қарапайым тәсілмен қосымша шешім береді). 5×12 қорабы үшін 1010 шешім, 4×15 қорабы үшін 368 шешім, ал 3×20 қорабы үшін бар болғаны 2 шешім бар (біреуі суретте көрсетілген, ал екіншісін L, N, F, T, W, Y және Z пентоминоларынан тұратын блокты толығымен айналдыру арқылы алуға болады). Ортасында 2×2 тесігі бар 8×8 тікбұрышы – бұл біршама оңай (симметриялы) жұмбақ, оны Дана Скотт 1958 жылы шешкен. 65 шешім бар. Скотттың алгоритмі компьютерлік бағдарламаны қолданудың алғашқы мысалдарының бірі болды. Бұл жұмбақтың түрлері төрт тесікті кез келген жерге орналастыруға мүмкіндік береді. Сыртқы сілтемелердің бірі осы қағиданы қолданады. Мұндай мәселелерді шешу үшін тиімді алгоритмдер жасалған, мысалы, Дональд Кнут сипаттағандай. Қазіргі заманғы аппараттық құралдарда осы пентомино жұмбақтарын бірнеше секунд ішінде шешуге болады. Көптеген мұндай үлгілер шешіледі, бірақ екі тесіктің жұбын тақтаның екі бұрышына жақын орналастырғанда, екі бұрышты да тек P пентоминосымен ғана толтыруға болады, немесе T немесе U пентоминосын бұрышқа орналастырғанда қосымша тесік пайда болады. Пентомино жиыны – бұл тек бір тікбұрыштан тұратын тривиальды мономино және домино жиындарынан басқа, тікбұрышқа орналастырыла алатын жалғыз еркін полиомино жиыны.

Қорапты толтыру ойыны (3D)

Пентакуб – бес кубтан тұратын поликуб. 29 пентакубтың нақты он екісі бір қабатты және бір шаршы тереңдікке созылған он екі пентоминоға сәйкес келеді. Пентакубты немесе 3D пентомино жинағын құрастыру – 12 жазық пентакубпен үш өлшемді қорапты толтыруды білдіреді, яғни оны жабыстырмай және қуыс қалдырмай жабу. Әрбір пентакубтың көлемі 5 бірлік кубтан тұратындықтан, қораптың көлемі 60 бірлік болуы керек. Мүмкін болатын өлшемдер: 2×3×10 (12 шешім), 2×5×6 (264 шешім) және 3×4×5 (3940 шешім). Басқаша айтқанда, бес кубтың өзі үш өлшемді комбинацияларын, яғни тек 12 "жазық" бір қабатты куб комбинациясынан өзгешелерін де қарастыруға болады. Дегенмен, пентоминоларды созу арқылы жасалған 12 "жазық" пентакубтан басқа, 6 хиральды жұп және 5 қосымша бөлік бар, олардың барлығы 29 потенциалды пентакуб бөлігін құрайды, бұл жалпы 145 кубты береді (=29×5). 145 тек 29×5×1 өлшемді қорапқа сыйып, сондықтан оны жазық емес пентоминоларды қосып құрау мүмкін емес.

Коммерциялық үстел ойындары

Пентаминоға негізделген шеберлік ойындары бар. Мұндай ойындар көбінесе «Пентамино» деп аталады. Ойынның бірін 8×8 торда екі немесе үш ойыншы ойнайды. Ойыншылар пентаминоларды тақтаға кезекпен орналастырады, олар бұрыннан бар плиткалармен жапсыспауы тиіс, ал әр плитка бір реликтен артық қолданылмауы керек. Мақсаты – тақтаға соңғы плитканы қоятын ойыншы болу. Бұл «Пентамино» ойынының нұсқасы «Голомбтың ойыны» деп аталады. Екі ойыншылық нұсқасы 1996 жылы Хилари Орманмен шешілді. Ойынның бірінші ойыншының жеңісі екені 22 миллиардтан астам мүмкіндікті қарастыру арқылы дәлелденді. Пентамино және оған ұқсас пішіндер көптеген басқа плиткалау ойындарының, үлгілердің және жұмбақтардың негізі болып табылады. Мысалы, француздық «Blokus» ойынында әрқайсысы 12 пентамино, 5 тетрамино, 2 триомино, 1 домино және 1 мономинодан тұратын 4 түрлі түсті полиомино жиынтығы бар. «Пентамино» ойыны сияқты, мақсаты – барлық плиткаларды қолдану, ал мономино соңғы қадамда ойнатылса, бонус беріледі. Ең аз блок қалған ойыншы жеңіп шығады. «Кафедраль» ойыны да полиоминоидтарға негізделген. «Parker Brothers» компаниясы 1966 жылы «Universe» атты көп ойыншылық пентамино ойынын шығарды. Оның сюжеті 1968 жылғы «2001: Ғарыштық саяхат» фильмінің жойылған көрінісіне негізделген, онда ғарышкер «HAL 9000» компьютерімен екі ойыншылық пентамино ойынын ойнайды (сол көріністе басқа ғарышкер шахмат ойнайтын сахна сақталған). Ойын қорабының алдыңғы жағында фильмнен кадрлар және «болашақтың ойыны» деген сипаттама бар. Ойынға қызыл, сары, көк және ақ түсті төрт жиынтық пентамино кіреді. Ойын тақтасында екі ойналатын аймақ бар: екі ойыншыға арналған 10x10 негізгі аймақ және екі ойыншыдан артық болғанда әр жағында қосымша 25 квадрат (екі қатар 10 және бір қатар 5). Ойын өндірушісі «Lonpos» компаниясы да бірдей пентаминоларды қолданатын, бірақ әртүрлі ойын алаңдарында бірнеше ойынға ие. Олардың «101 Game» ойынында 5x11 алаңы бар. Алаңның пішінін өзгерту арқылы мыңдаған жұмбақтарды ойнауға болады, бірақ олардың салыстырмалы түрде аз ғана бөлігі баспа түрінде қол жетімді.

Бейне ойындар

Тетрис пентомино жұмбақтарынан шабыттанды, бірақ төрт блоктан тұратын тетроминоларды пайдаланады. Кейбір Тетрис клондары мен түрлері, мысалы, Bell Labs-тің 9-жоспарымен бірге келген 5 ойыны және Magic Tetris Challenge, пентоминоларды қолданады. Daedalian Opus ойын бойында пентомино жұмбақтарын қолданады.