Количество комбинаций в кубике Рубика 3х3х3

Сайт дремучего деда

Количество комбинаций в кубике Рубика 3х3х3

Как известно, количество возможных состояний кубика Рубика равно
43 252 003 274 489 856 000 (43 квинтиллиона 252 квадриллиона 3 триллиона 274 миллиарда 485 миллионов 856 тысяч). Откуда же берётся такая цифра? А вот откуда:
(количество расстановок реберных кубиков) х
х(количество расстановок угловых кубиков) х
х (количество комбинаций поворотов реберных кубиков) х
х (количество комбинаций поворотов угловых кубиков).

Есть ещё центральные кубики, но они всегда находятся на своих местах, а их ориентацией (для кубика с монотонной раскраской каждой грани) можно пренебречь.

Реберных кубиков в кубике Рубика 12. Значит, первый кубик можно расставить по 12 местам, второй кубик – на 11 мет, 3 кубик - на 10 мест четвертый - на 9 и так далее до последнего. То есть, количество ВСЕХ расстановок реберных кубиков равно
12 * 11 * 10 * 9 * 8 * 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 479001600.
Записывается это как 12! (12-факториал).

Факториал числа n (лат. factorialis — действующий, производящий, умножающий; обозначается n!, произносится эн факториал) — произведение всех натуральных чисел от 1 до n включительно.

Аналогичным образом посчитаем количество ВСЕХ расстановок угловых кубиков. Их 8, а значит,
8! = 8 * 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 40320.

Теперь посчитаем количество ВСЕХ комбинаций поворотов реберных кубиков. Каждый из 12 реберных кубиков может иметь только 2 ориентации - 0 и 180 градусов, поэтому, 2 в 12 степени = 4096.

Точно так же посчитаем количество всех ориентаций угловых кубиков: 3 в 8 степени = 6561.

Казалось бы, можно перемножить полученные 4 числа, и всё готово. Но не всё так просто. Пока что цифра получится горааааздо больше. Отсечём лишнее.

Если кубики выведены из правильного положения только допустимыми вращениями (а не физической разборкой и новой сборкой всего устройства или перекраской граней), то не может возникнуть положение, при котором:

  1. все средние кубики стоят на своих местах и только один из них повернут неправильно;
  2. все средние кубики и стоят, и повернуты правильно, а все угловые кубики, кроме двух, стоят (в любых положениях) на своих местах;
  3. все средние кубики и стоят, и повернуты правильно, а все угловые кубики стоят на своих местах и только один из них повернут неправильно.

Кому интересно, откуда выведены такие свойства, рекомендую к прочтению статью «Математика волшебного кубика» В. Дубровского в журнале «Квант» №8 за 1982 год, и статью «Венгерский шарнирный кубик» в №12 за 1980 год в том же журнале, авторы - В. Залгаллер и С. Залгаллер. Скачать можно здесь. Если Вы ни разу не математик, читать не советую, ибо вынесете себе мозг. А по сему, просто поверьте на слово.

В соответствии с первым свойством не может быть развёрнут только один реберный кубик, значит, его ориентацию мы тоже не будем учитывать. Поэтому 2 в 12 степени поделим на 2, что равно 2 в 11 степени. Получим 2048.

Исходя из третьего свойства, по которому не может быть повернут неправильно только один угловой кубик (а значит, можно не учитывать его ориентацию), подкорректируем подсчёт всех ориентаций угловых кубиков до минимально необходимого. То есть, поделим на 3, или запишем 3 в 7 степени, что равнозначно. Получится 2187.

Ну и последняя корректировка основана на втором свойстве. Она отсекает невозможные перестановки. То есть, если мы уже расставили на свои места (в любой ориентации) 6 из 8 угловых кубиков, то последние 2 обязательно встанут каждый на своё место. Помните, как мы считали расстановку углов? (От 8 возможных мест для первого кубика до одного места для последнего кубика.) Так вот, множители для последних кубиков можно теперь не учитывать. Поделим 8! на 2, получим 20160.

Итак, теперь Вы понимаете, что и откуда взялось в этой формуле, а значит можно смело перемножать полученные числа:
12! * 8!/2 * 211 * 37 = 12! * 8! * 210 * 37.
Можно ещё разложить 12! и 8! на простые числа, тогда получим
227 * 314 * 53 * 72 * 11 = 43252003274489856000.
Или просто перемножить заранее вычисленные 4 числа:
479001600 * 20160 * 2048 * 2187 = 43252003274489856000.

Давайте теперь посчитаем, сколько будет возможных состояний у кубика Рубика, если учесть повороты центральных кубиков (серединок). Как известно, их 6 штук (в кубике размерностью 3х3х3) и каждый из них может быть повернут на 0, 90, 180 и 270(или минус 90) градусов, то есть иметь 4 возможных положения. Следовательно, количество возможных комбинаций центров равно 4 в 6 степени. Но в кубике невозможно состояние, когда при полностью собранном кубе только один центральный кубик повёрнут на 90 градусов (в любую сторону), поэтому, у последнего центрального кубика из шести учтём только два положения – 0 и 180 градусов. Получим
(46)/2=(22)6/2=212/2=211 = 2048 возможных комбинаций.

Умножив теперь это число на известное нам количество комбинаций углов и ребер, получим:
2048 * 43252003274489856000 = 88580102706155225088000.

Итак, количество комбинаций кубика Рубика размерностью 3х3х3 с учетом ориентации центральных кубиков равно
211 * 227 * 314 * 53 * 72 * 11 = 238 * 314 * 53 * 72 * 11=
=88 580 102 706 155 225 088 000 (88 секстиллионов 580 квинтиллионов 102 квадриллиона 706 триллионов 155 миллиардов 255 миллионов 88 тысяч).

В последнее время появилось много кубиков с рисунками (или рисунком) на гранях. Если Вы приобрели себе один из них, то у Вас обязательно возникнет ситуация, когда центральные кубики будут неправильно сориентированы. Для того, чтобы собрать такой кубик, Вам необходимо знать, как развернуть центральные кубики (на своих местах, естественно).


Поделиться в соцсетях:






Какой марки Ваш кубик 3х3?

 DaYan
 MoYu
 Gans Puzzles
 ShengShou
 FangShi
 Yuxin
 Maru
 Rubik`s
 MF8
 Cyclone Boys
 Другой

 


Бог, который создал нас без нас, не может спасти нас без нас.

Блез Паскаль