我们讨论的是任意的魔方。在同一魔方里才有意义。以下都是在同一魔方里展开论述。
定义:每转动一次魔方,叫做单步转动。魔方的有序转动可以用单步转动的序列表示,叫做转动序列。
转动序列里的单步转动个数叫做转动序列的长度。转动序列的长度可以是任意正整数。
我们把不做转动的特殊情况,也看做长度为0的转动序列,记作I。
先做转动序列X再做转动序列Y结果也是一个转动序列,叫做X和Y的乘积记作XY。
显然,任意的单步转动X,反向做同样的转动记作X',有
XX'=I
X'X=I
X'叫做X的逆。
任意转动序列X如果存在转动序列Y使得XY=I成立,那么Y叫做X的逆转动序列,简称逆,记作Y=X'。
定理1:魔方任意转动序列都有逆。事实上任何转动序列都可以用单步转动表示;
X=X1X2X3....Xn-1Xn
X的逆就是它们逆的倒序;
X'=X'nX'n~1,,,X'3X'2X'1
特别是如果
X=YZ
那么
X=Z'Y'。
魔方每个转动序列X都要变换魔方的一部分块,这部分块叫做转动序列X的活动集。也有一些块原地不动,叫做转动序列X的不动集。
I的活动集为空集,不动集为魔方的全部块。
由于任何转动序列X有;
XX'=I
表示X把活动集里的任意一个位置A的块a转动到位置B,那么X'就把位置B的块转动到位置A,也就是说把块a返回原位A。
任意两个转动序列X与Y,转动序列Z=XYX'Y'叫做X和Y的换位子,记作[X,Y]。
Z'=[X,Y]=YXY'X'=[Y,X] 是Y和X的换位子。
当两个操作的活动集不相交时,有XY=YX,它们的换位子,作为一个转动序列,实际上不改变任何魔方块,也就是一个I;换位子实际上是对两个操作的可交换性的一种度量。
定理2:如果转动序列X与转动序列Y的活动集只有一个位置A,那么换位子Z=[X,Y]是魔方的三轮换。
如果X把位置A的块移动到位置D,把位置B的块移动到位置A,Y把位置A的块移动到位置E,把位置C的块移动到位置A。魔方所有块分为四种:
1,是X不动集的块,也是Y不动集的块,由于X,Y都不动,Z也不动。
2,与A位置相关的块,有A,B,C,D,E这五个块,下面分析做Z序列后,这五个块位置的块变化。
有四种情况:
1)五个位置没有重合,五个位置A,B,C,D,E就是真正的不同位置,假定初始各位置的块是a,s,c,d,e,为清楚起见我们表示为
块: a , b , c, d, e
位置: A, B, C, D, E
做X,变为:
块: b, b1, c, a, e
位置: A, B, C, D, E b1是另外的块
做Y,变为:
块: c, b1, c1, a, b
位置: A, B, C, D, E b1,c1是另外的块
做X’变为:
块: a, c, c1, d, b
位置: A, B, C, D, E c1是另外的块
做Y',变为:
块: b, c, a, d, e
位置: A, B, C, D, E
做完Z序列前后,比较:
块: a , b , c, d, e
位置: A, B, C, D, E
块: b, c, a, d, e
位置: A, B, C, D, E
D,E位置的块相当没动,A,B,C,位置的块进行了三轮换,[X,Y]是一个三轮换。
2)位置B和位置D重合,位置E不与C重合,此时实际与A相关的块和位置有4个:A,B,C,E ,对应的块 a , b , c, e
块: a , b , c, e
位置: A, B, C, E
做X,变为:
块: b, a, c, e
位置: A, B, C, E
做Y,变为:
块: c, a, c1, b
位置: A, B, C, E c1是另外的块
做X’变为:
块: a, c, c1, b
位置: A, B, C, E c1是另外的块
做Y',变为:
块: b, c, a, e
位置: A, B, C, E
做完Z序列前后,比较:
块: a , b , c, e
位置: A, B, C, E
块: b, c, a, e
位置: A, B, C, E
E位置的块相当没动,A,B,C,位置的块进行了三轮换。
3)位置C和位置E重合,位置B不与D重合,此时实际与A相关的块和位置有4个:A,B,C,D ,对应的块 a , b , c, d
块: a , b , c, d
位置: A, B, C, D
做X,变为:
块: b, b1, c, a
位置: A, B, C, D
做Y,变为:
块: c, b1, b, a
位置: A, B, C, D c1是另外的块
做X’变为:
块: a, c, b, d
位置: A, B, C, D
做Y',变为:
块: b, c, a, d
位置: A, B, C, D
做完Z序列前后,比较:
块: a , b , c, d
位置: A, B, C, D
块: b, c, a, d
位置: A, B, C, D
D位置的块相当没动,A,B,C,位置的块进行了三轮换。
4)位置B和位置D重合,位置F与C重合,此时实际与A相关的块和位置有3个:A,B,C,对应的块 a , b , c,
块: a , b , c,
位置: A, B, C,
做X,变为:
块: b, a, c,
位置: A, B, C,
做Y,变为:
块: c, a, b,
位置: A, B, C,
做X’变为:
块: a, c, b,
位置: A, B, C,
做Y',变为:
块: b, c, a,
位置: A, B, C,
做完Z序列前后,比较:
块: a , b , c,
位置: A, B, C,
块: b, c, a,
位置: A, B, C,
A,B,C,位置的块进行了三轮换。
从图可以看出,四种情况不管哪种,最后做完Z后都产生了三轮换:
块: b, c, a,
位置: A, B, C,
魔方所有块分为四种:
1,是X不动集的块,也是Y不动集的块,由于X,Y都不动,Z也不动。
2,与A,B位置相关的块,有A,B,C,D,E,F这六个块,在下面将分析做Z序列后,这六个块位置的块变化。
3,是X活动集的块,是Y不动集的块,不是C,D,E,F位置的块,做X序列时把它移动到新的位置,做Y序列时它不动,再做X'时,又被移动到原来自己的位置了,再做Y’时它不动,所以它是Z的不动块集的块。
4,是X不动集的块,是Y活动集的块,显然它们不是A,B位置的块。做X序列时它不动,做Y序列时把它移动到新的位置,再做X'时,它不动,再做Y’时又被移动到原来自己的位置了,所以它是Z的不动块集的块。
下面只讨论与A,B位置相关的块:
做Z=[X,Y]=XYX'Y'转动序列前,
a b c d e f
A B C D E F
做X序列后:
c d c1 d1 a b
A B C D E F
做Y序列后:
d c c1 d1 a b
A B C D E F
做X'序列后:
a b d c e f
A B C D E F
做Y'序列后:
b a d c e f
A B C D E F
这就是两对换之积(a,b)(c,d).
定理4:如果转动序列X和转动序列Y的活动集的交有两个块位A,B,转动序列X是把位置C的块c,移动到A位置,把A,位置的块a移动到B位置,把B位置的块b移动到另外位置D的转动序列,转动序列Y是把A,B位置的块互换的转动序列,那么转动序列Z=[X,Y]=XYX'Y'是一个三轮换(a,c,b)。
魔方所有块分为四种:
1,是X不动集的块,也是Y不动集的块,由于X,Y都不动,Z也不动。
2,与A,B位置相关的块,有A,B,C,D这4个块,在下面将分析做Z序列后,这四个块位置的块变化。
3,是X活动集的块,是Y不动集的块,不是C,D位置的块,做X序列时把它移动到新的位置,做Y序列时它不动,再做X'时,又被移动到原来自己的位置了,再做Y’时它不动,所以它是Z的不动块集的块。
4,是X不动集的块,是Y活动集的块,显然它们不是A,B位置的块。做X序列时它不动,做Y序列时把它移动到新的位置,再做X'时,它不动,再做Y’时又被移动到原来自己的位置了,所以它是Z的不动块集的块。
下面只讨论与A,B位置相关的块:
做Z=[X,Y]=XYX'Y'转动序列前,
a b c d
A B C D
做X序列后:
c a c1 b
A B C D
做Y序列后:
a c c1 b
A B C D
做X'序列后:
c b a d
A B C D
做Y'序列后:
b c a d
A B C D
这就是一个三轮换(a,c,b)。