Введение
Куб Сомы — это головоломка, основанная на разрезании твердого тела на части, изобретённая датским учёным-эрудитом Питом Хейном в 1933 году во время лекции по квантовой механике, которую проводил Вернер Гейзенберг. Семь различных деталей, состоящих из единичных кубиков, необходимо собрать в куб 3×3×3. Эти детали также можно использовать для создания множества других трёхмерных фигур. Детали куба Сомы состоят из всех возможных комбинаций, включающих не более четырёх единичных кубиков, соединённых по граням, так, чтобы образовался хотя бы один внутренний угол. Не существует комбинаций из одного или двух кубиков, удовлетворяющих этому условию, но есть одна комбинация из трёх кубиков и шесть комбинаций из четырёх кубиков, которые удовлетворяют. Таким образом, 3 + (6 × 4) равно 27, что является точным числом ячеек в кубе 3×3×3. Из этих семи комбинаций две являются зеркальными отражениями друг друга (см. Хиральность). Куб Сомы стал популярным благодаря Мартину Гарднеру, который упомянул о нём в сентябре 1958 года в колонке «Математические игры» журнала Scientific American. Книга «Выигрышные стратегии в математических играх» также содержит подробный анализ задачи о кубе Сомы. Существует 240 различных решений головоломки куба Сомы, не считая вращений и отражений: они легко генерируются простой рекурсивной программой поиска с возвратом, аналогичной той, что используется для головоломки «восемь ферзей». Джон Хортон Конвей и Майкл Гай впервые определили все 240 возможных решений вручную в 1961 году.
The Soma cube is a solid dissection puzzle invented by Danish polymath Piet Hein in 1933 during a lecture on quantum mechanics conducted by Werner Heisenberg. Seven different pieces made out of unit cubes must be assembled into a 3×3×3 cube. The pieces can also be used to make a variety of other 3D shapes. The pieces of the Soma cube consist of all possible combinations of at most four unit cubes, joined at their faces, such that at least one inside corner is formed. There are no combinations of one or two cubes that satisfy this condition, but one combination of three cubes and six combinations of four cubes that do. Thus, 3 + (6 × 4) is 27, which is exactly the number of cells in a 3×3×3 cube. Of these seven combinations, two are mirror images of each other (see Chirality). The Soma cube was popularized by Martin Gardner in the September 1958 Mathematical Games column in Scientific American. The book Winning Ways for your Mathematical Plays also contains a detailed analysis of the Soma cube problem. There are 240 distinct solutions of the Soma cube puzzle, excluding rotations and reflections: these are easily generated by a simple recursive backtracking search computer program similar to that used for the eight queens puzzle. John Horton Conway and Michael Guy first identified all 240 possible solutions by hand in 1961. |}
Производство
Пит Хайн санкционировал изготовление изящной версии кубика Сомы из палисандра компанией Теодора Скёде Кнудсена Skjøde Skjern (Дания). Начиная примерно с 1967 года, кубик продавался в США в течение нескольких лет компанией Parker Brothers, производителем игр. Parker Brothers также коммерчески производила пластиковые наборы кубика Сомы в нескольких цветах (синем, красном и оранжевом) в 1970-х годах. На упаковке версии Parker Brothers утверждалось, что существует 1 105 920 возможных решений, включая вращения и отражения каждого решения, а также вращения отдельных элементов. В настоящее время головоломка продается как логическая игра компаниями Piet Hein Trading и ThinkFun (ранее Binary Arts) под названием Block by Block.
Решение
Решение кубика Сомы использовалось в качестве задания для оценки производительности и усилий испытуемых в серии психологических экспериментов. В этих экспериментах испытуемых просят решить кубик Сомы как можно больше раз за заданный период времени. Например, в 1969 году Эдвард Деци, аспирант Университета Карнеги — Меллона, попросил своих участников исследования решить кубик Сомы в условиях с различными стимулами в рамках своей диссертационной работы, посвященной внутренней и внешней мотивации и обосновывающей социальную психологическую теорию вытеснения. В каждом из 240 различных решений этой кубической головоломки существует только одно место, куда можно поместить деталь в форме буквы "Т". Любой собранный куб можно повернуть так, чтобы деталь "Т" находилась внизу, с длинным краем вдоль передней грани и "язычком" буквы "Т" в центральном нижнем кубике (это нормализованное положение большого куба). Это можно доказать следующим образом: если рассмотреть все возможные способы размещения детали "Т" в большом кубе (не обращая внимания на другие детали), то станет очевидно, что она всегда будет занимать либо два угла большого куба, либо ни одного. Невозможно ориентировать деталь "Т" так, чтобы она занимала только один угол большого куба. Деталь "L" можно ориентировать так, чтобы она занимала два угла, один угол или ни одного угла. Каждая из остальных пяти деталей не имеет ориентации, при которой она занимала бы два угла; они могут занимать либо один угол, либо ни одного. Следовательно, если исключить деталь "Т", максимальное количество углов, которые могут быть заполнены оставшимися шестью деталями, составляет семь (по одному углу на пять деталей плюс два угла для детали "L"). У куба восемь углов. Однако деталь "Т" нельзя ориентировать так, чтобы она занимала только один оставшийся угол, и ориентация, при которой она не занимает ни одного угла, очевидно, не позволит собрать куб. Поэтому деталь "Т" всегда должна занимать два угла, и существует только одна ориентация (без учета вращений и отражений), при которой это происходит. Отсюда также следует, что во всех решениях пять из оставшихся шести деталей будут занимать максимальное количество углов, а одна деталь будет занимать на один угол меньше максимума (эта деталь называется дефицитной).
Цифры
В дополнение к построению куба, руководство к Соме содержит разнообразные фигуры для сборки из семи элементов. На рисунке справа представлены решения некоторых из этих фигур, выполненные в той же цветовой схеме.
Похожие головоломки
Похожа на кубик Сомы 3D-пазл пентомино, который может заполнять объемы размером 2×3×10, 2×5×6 и 3×4×5 единиц. Куб Бедлама – это кубическая головоломка 4×4×4, состоящая из двенадцати пентакубов и одного тетракуба. Дьявольский куб – это головоломка из шести поликубов, которые можно собрать вместе, чтобы образовать куб 3×3×3. Eye Level также использует Thinking Cube (когда ученики достигают 30–32 уровней в Basic Thinking Math или 29–32 уровней в Critical Thinking Math) в качестве одного из учебных пособий, аналогично кубику Сомы. Rubik's Bricks, головоломка, выпускаемая под брендом Rubik's, – это похожая головоломка, состоящая из 27 кубиков, но ее детали формируются путем соединения кубиков по граням или ребрам. Существует ровно 9 способов соединить три кубика, поэтому из них можно собрать куб 3x3x3. Отдельные кубики окрашены таким образом, чтобы обеспечить единственное решение.