Введение

Геометрическая фигура, образованная из пяти квадратов. Происходящее от греческого слова, обозначающего «5», и слова «домино», пентомино (или 5-омино) — это полиомино пятого порядка, то есть многоугольник на плоскости, состоящий из пяти квадратов одинакового размера, соединенных сторонами. Если вращения и отражения не рассматриваются как различные фигуры, существует 12 различных свободных пентомино. Если отражения считаются различными, существует 18 односторонних пентомино. Если также учитываются вращения, существует 63 фиксированных пентомино. Пентомино широко используются в рекреационной математике для создания головоломок и игр с укладкой. Как правило, в видеоиграх, таких как имитации Tetris и Rampart, зеркальные отражения считаются различными фигурами, поэтому используется полный набор из 18 односторонних пентомино. (В самой Tetris используются 4 квадратные фигуры.) Каждый из двенадцати пентомино удовлетворяет критерию Конвея, следовательно, каждый пентомино способен полностью покрыть плоскость. Каждый хиральный пентомино может покрыть плоскость без отражений.

История

Самая ранняя головоломка, содержащая полный набор пентомино, появилась в книге Генри Дюденея «Кентерберийские головоломки», опубликованной в 1907 году. Самые ранние покрытия прямоугольников полным набором пентомино были опубликованы в Problemist Fairy Chess Supplement в 1935 году, а дальнейшие задачи по покрытию исследовались в PFCS и его преемнике, Fairy Chess Review. Пентомино были формально определены американским профессором Соломоном В. Голомбом, начиная с 1953 года, а позднее в его книге 1965 года «Полиомино: головоломки, узоры, задачи и упаковки». Они были представлены широкой публике Мартином Гарднером в его октябрьской колонке «Математические игры» в журнале Scientific American в 1965 году. Голомб придумал термин «пентомино», образованный от древнегреческого πέντε / pénte, означающего «пять», и окончания слова «домино», причудливо интерпретируя букву «d» в слове «домино» как форму греческого префикса «di» (два). Голомб назвал 12 свободных пентомино буквами латинского алфавита, которые они напоминают, используя мнемоническое правило FILiPiNo вместе с концом алфавита (TUVWXYZ). Джон Хортон Конвей предложил альтернативную схему обозначения пентомино, используя O вместо I, Q вместо L, R вместо F и S вместо N. Сходство с буквами менее очевидно, особенно для пентомино O, но эта схема имеет преимущество в использовании 12 последовательных букв алфавита. Она используется по соглашению при обсуждении игры «Жизнь» Конвея, где, например, говорят о пентомино R вместо пентомино F.

Пазл для плитки (2D)

Стандартная головоломка с пентомино заключается в том, чтобы замостить прямоугольник пентомино, то есть покрыть его без перекрытий и пробелов. Каждый из 12 пентомино имеет площадь в 5 единичных квадратов, поэтому площадь прямоугольника должна быть 60 единиц. Возможные размеры: 6×10, 5×12, 4×15 и 3×20. Случай 6×10 был впервые решён в 1960 году Колином Брайаном Хазельгроувом и Дженнифер Хазельгроув. Существует ровно 2339 решений, не считая тривиальных вариаций, полученных вращением и отражением всего прямоугольника, но включая вращение и отражение подмножества пентомино (что иногда даёт дополнительное решение простым способом). Для прямоугольника 5×12 существует 1010 решений, для 4×15 – 368 решений, а для 3×20 – всего 2 решения (одно из них показано на рисунке, а другое можно получить из показанного решения, вращая целиком блок, состоящий из пентомино L, N, F, T, W, Y и Z). Более простая (симметричная) головоломка – прямоугольник 8×8 с отверстием 2×2 в центре – была решена Даной Скотт ещё в 1958 году. Существует 65 решений. Алгоритм Скотта был одним из первых применений компьютерной программы с возвратом. Вариации этой головоломки допускают размещение четырёх отверстий в любом положении. Одна из внешних ссылок использует это правило. Эффективные алгоритмы для решения таких задач были описаны, например, Дональдом Кнутом. На современном оборудовании эти головоломки с пентомино теперь можно решить за считанные секунды. Большинство таких конфигураций разрешимы, за исключением случаев, когда каждая пара отверстий расположена близко к двум углам доски таким образом, что оба угла могут быть заполнены только пентомино P, или когда пентомино T или U вынуждены занять угол, что приводит к образованию ещё одного отверстия. Набор пентомино – единственный свободный набор полиомино, который можно упаковать в прямоугольник, за исключением тривиальных наборов мономино и домино, каждый из которых состоит только из одного прямоугольника.

Пазл наполнения ящиков (3D)

Пятикубик — это поликуб, состоящий из пяти кубов. Из 29 пятикубиков ровно двенадцать являются плоскими (однослойными) и соответствуют двенадцати пентомино, вытянутым в глубину на один квадрат. Головоломка с пятикубиками или 3D-головоломка с пентомино заключается в заполнении трехмерной коробки 12 плоскими пятикубиками, то есть в покрытии её без перекрытий и зазоров. Поскольку каждый пятикубик имеет объем в 5 единичных кубов, объем коробки должен составлять 60 единиц. Возможные размеры: 2×3×10 (12 решений), 2×5×6 (264 решения) и 3×4×5 (3940 решений). Кроме того, можно рассмотреть комбинации из пяти кубов, которые сами по себе являются трехмерными, то есть включают в себя не только 12 "плоских" однослойных комбинаций кубов. Однако, помимо 12 "плоских" пятикубиков, образованных вытягиванием пентомино, существует 6 пар хиральных фигур и 5 дополнительных фигур, что в общей сложности составляет 29 возможных пятикубических фигур, дающих 145 кубов в сумме (=29×5). Поскольку 145 кубов можно упаковать только в коробку размером 29×5×1, невозможно сформировать такую фигуру, включив неплоские пентомино.

Коммерческие настольные игры

Существуют настольные игры, основанные на умении и целиком использующие пентомино. Такие игры часто называют просто "Пентомино". Одна из игр ведется на поле 8×8 двумя или тремя игроками. Игроки по очереди размещают пентомино на поле так, чтобы они не перекрывались с уже расположенными фигурами и каждая фигура использовалась только один раз. Цель – стать последним игроком, разместившим фигуру на поле. Эта версия Пентомино называется "Игра Голомба". Двухместная версия была слабо решена в 1996 году Хилари Орман. Было доказано, что первый игрок выигрывает, путем анализа около 22 миллиардов возможных позиций на поле. Пентомино и подобные фигуры также лежат в основе множества других игр с размещением фигур, узоров и головоломок. Например, французская настольная игра Blokus играется с 4 цветными наборами полиомино, каждый из которых включает в себя все пентомино (12), тетромино (5), триомино (2), домино (1) и мономино (1). Как и в игре Пентомино, цель состоит в том, чтобы использовать все свои фигуры, а бонус начисляется, если мономино разыграно последним ходом. Побеждает игрок, у которого осталось наименьшее количество блоков. Игра "Кафедральный собор" также основана на полиомино. Компания Parker Brothers выпустила многопользовательскую настольную игру с пентомино под названием Universe в 1966 году. Ее тема основана на вырезанной сцене из фильма 1968 года "2001 год: Космическая одиссея", в которой астронавт играет в пентомино с двумя игроками против компьютера HAL 9000 (сцена с другим астронавтом, играющим в шахматы, была сохранена). На лицевой стороне коробки с игрой изображены сцены из фильма и надпись, описывающая ее как "игру будущего". В комплект игры входят четыре набора пентомино красного, желтого, синего и белого цветов. Игровое поле имеет две зоны: основную площадь 10×10 для двух игроков и дополнительные 25 клеток (два дополнительных ряда по 10 и один смещенный ряд из пяти) с каждой стороны для более чем двух игроков. Производитель игр Lonpos предлагает ряд игр, использующих те же пентомино, но на разных игровых плоскостях. Их игра 101 имеет плоскость 5 x 11. Изменяя форму плоскости, можно сыграть в тысячи головоломок, хотя в печатном виде доступно лишь относительно небольшое их количество.

Видеоигры

Тетрис был вдохновлён головоломками пентомино, хотя в нём используются тетромино, состоящие из четырёх блоков. Некоторые клоны и варианты Тетриса, такие как игра 5s, входящая в состав Plan 9 от Bell Labs, и Magical Tetris Challenge, действительно используют пентомино. Daedalian Opus использует головоломки пентомино на протяжении всей игры.