Rubika kuba matemātika

Rubika kuba matemātika ir matemātisko metožu kopums, kas apskata Rubika kuba īpašības no abstraktās matemātiskas skatu punkta. Šī matemātika pēta un novērtē kuba sakārtošanas algoritmus. Balstās uz grafu teoriju, grupu teoriju, rekursīvo funkciju teoriju un kombinatoriku.

Pastāv daudz algoritmu, kas izstrādāti, lai pārvietotu Rubika kubu no patvaļīgas konfigurācijas uz galīgo konfigurāciju (sakārtots kubs). 2010. gadā tika stingri pierādīts, ka, lai pārvietotu Rubika kubu no patvaļīgas konfigurācijas uz saliktu konfigurāciju (bieži šis process tiek saukts par “sakārtošanu” vai “risinājumu”), pietiek ar mazāk kā 20 gājieniem, kas ir jebkuras skaldnes viens pagrieziens.Rokicki, T.; Kociemba, H.; Davidson, M.; and Dethridge, J. God's Number is 20 (англ.). Дата обращения 19 июля 2013. Šis skaitlis ir Rubika kuba Kailija skaita diametrs.По системе образующих, состоящей из поворотов граней на ±90° и на 180°. 2014. gadā tika pierādīts, ka ar 26 gājieniem, pagriežot skaldnes tikai par 90°, vienmēr pietiek, lai atrisinātu Rubika kubu.Rokicki, T. and Davidson, M. God's Number is 26 in the Quarter-Turn Metric (англ.). Дата обращения 4 июля 2015.

Algoritmu, kas atrisina mīklu ar pēc iespējas mazāku gājienu skaitu, sauc par Dieva algoritmu.

 Apzīmējumi 
Šajā rakstā izmantoti “Singmastera apzīmējumi”, ko izstrādājis Deivids Singmasters un publicējis 1981. gadā, lai norādītu Rubika kuba skaldņu pagriešanas secību 3×3×3.

Burti  norāda attiecīgi 90° skaldnes pagriezienu pulksteņrādītāja virzienā pa kreisi (left), pa labi (right), uz priekšu (front), uz aizmuguri (back), augšup (up) un lejup (down). 180° skaldnes pagriešanu norāda, ar ciparu 2 burta labajā pusē vai augšējā indeksā, labajā pusē, norādot ciparu 2. Par 90° skaldnes griešanos pretēji pulksteņa rādītāja virzienam norāda, pievienojot apostrofu  vai pievienojot -1 pa labi no burta. Tā, piemēram,  un  ir ekvivalenti apzīmējumi, kā arī  un .

 Konfigurācijas skaita metrika 
Pastāv divi visizplatītākie risinājuma garuma mērīšanas veidi (metriskie). Pirmais veids — tiek uzskatīts, ka viens pagrieziens pagriež šķautni par 90° (quarter turn metric, QTM). Saskaņā ar otro metodi viens gājiens skaitās šķautnes daļēja pagriešana (face turn metric, FTM,vai HTM — half-turn metric). Tātad, F2 (priekšējās virsmas pagriešana par 180°) var tikt apzīmēta ar diviem gājieniem QTM metrikā vai vienu gājienu FTM metrikā.Jerry Slocum, David Singmaster, Wei-Hwa Huang, Dieter Gebhardt, Geert Hellings. The Cube: The Ultimate Guide to the World's Bestselling Puzzle — Secrets, Stories, Solutions. — 2009. — С. 26. — 142 с.Jaap Scherphuis. Useful Mathematics .Metrics (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 17 июля 2013. Архивировано 24 ноября 2012 года.

Lai tekstā norādītu izmantotās metrikas risinājuma garumu, tiek izmantots apzīmējums, kas sastāv no gājienu skaita un metrikas apzīmējuma mazā burta. 14f apzīmē — 14 gājienus FTM metrikā, bet 10q apzīmē 10 gājienus QTM metrikā. Lai norādītu, ka šajā metrikā gājienu skaits ir minimālais, tiek izmantota zvaigznīte: 10f * norāda optimālo risinājumu skaitu — 10 gājienus FTM metrikā.

 Rubika kuba grupa 
Rubika kubu var uzskatīt par matemātiskas grupas piemēru.

Katru no sešām Rubika kuba skaldnēm var sadalīt deviņās daļās un kopumā Rubika kuba 48 etiķešu komplektu var uzskatīt par simetriskās grupas elementu, kas nav skaldņu centri. Precīzāk, jūs varat atzīmēt visas 48 etiķetes ar cipariem no 1 līdz 48 un sagrupēt katru no tām pa gājieniem , kas būtu elementi simetriskās grupas .

Tad Rubika kuba grupa  tiek definēta kā apakšgrupa , kas sastāv no sešām skaldnes rotācijām:  Secība grupai  vienāda ar:Jaap Scherphuis. Rubik's Cube 3x3x3  (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 19 июля 2013. Архивировано 28 июля 2013 года.  Katru no  risinājumiem var paveikt ne vairāk kā ar 20 gājieniem (ja par gājienu uzskata jebkuru skaldnes pagriezienu).

Grupas  elementu secība vienāda ar 1260. Piemēram, gājienu secību  ir nepieciešams atkārtot 1260 reizes, lai Rubika kubs atgrieztos sākotnējā stāvoklī.

 Dieva algoritms 
Dieva algoritms radās ne vēlāk kā 1980. gadā, kad tika aizsākta sarakste starp Rubika kuba faniem. Kopš tā laika matemātiķi, programmētāji un amatieri ir centušies atrast Dieva algoritmu, lai praksē spētu atrast minimālo gājienu skaits, lai sakārtotu Rubika kubu. Tā kā Rubika kubu ir nepieciešams pilnībā sakārtot, tad no algoritma tika prasīts atrast vajadzīgo gājienu skaitu, lai atrisinātu mīklu.

2010. gadā programmētājs Tomass Rokiki no Palo Alto, matemātikas skolotājs Herberts Kotsemba no Darmštates, Kentas Universitātes matemātiķis Morlijs Deividsons un Google Inc. inženieris Džons Detridžs pierādīja, ka Rubika kubu no jebkura izjaukta stāvokļa var sakārtot atpakaļ sākotnējā stāvoklī vien ar 20 gājieniem. Turklāt jebkurš skaldnes pagrieziens tika uzskatīts par vienu kustību. Lai veiktu aprēķina secību bija nepieciešami 35 gadi no procesora darbības laika, ko ziedoja kompānija Google.Herbert Kociemba. Two-Phase-Algorithm and God's Algorithm: God's number is 20  (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 23 июля 2013. Архивировано 2 мая 2013 года. Tehniskie dati par datoru skaitu un veiktspēju netika atklāti. Aprēķinu ilgums sasniedza vairākas nedēļas.Rik van Grol. The Quest For God’s Number (англ.). Math Horizons (November 2010). Дата обращения 26 июля 2013.Stefan Edelkamp, Stefan Schrōdl. Heuristic search: theory and applications. — Morgan Kaufmann Publishers, 2012. — 712 с. — .SIAM J. Discrete Math., 27(2), 1082—1105

Tomass Rokiki un Morlijs Davidsons 2014. gadā pierādīja, ka Rubika kubu var sakārtot ar ne vairāk kā 26 gājieniem, neizmantojot 180° skaldņu pagriezienus. Aprēķins aizņēma 29 gadus no procesora darbības laika Ohaio superdatoru centrā.

 Zemāki Dieva skaita aprēķini 
Ir viegli parādīt, ka pastāv atrisinājuma konfigurācijas,«Разрешимой» конфигурацией называется конфигурация, которая может быть переведена в собранную. Так как граф кубика Рубика ненаправленный, из этого следует, что любая конфигурация, полученная из исходной произвольной последовательностью ходов разрешима. Но существуют неразрешимые конфигурации. Например, если в собранном состоянии повернуть одну из вершин кубика на 120°, то получится неразрешимая конфигурация. kuras nevar atrisināt ar mazāk nekā 17 gājieniem FTM metrikā vai 19 gājieniem QTM metrikā.

Šo atrisinājumu skaitu var uzlabot, ņemot vērā papildu identitātes: divu pretējo virsmu rotācijas (LR = RL, L2 R = R L2 utt.). Līdzīga pieeja ļauj mums iegūt Dieva skaitļa apakšējo robežu 18f vai 21q.В. Дубровский, А. Калинин. Новости кубологии  // Квант. — 1992. — № 11. — С. 52-56.Jaap Scherphuis. Useful Mathematics . God's Algorithm (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 17 июля 2013. Архивировано 24 ноября 2012 года.
Šis atrisinājums jau sen ir palicis kā labākais no zināmajiem. Tas izriet no nekonstruktīviem pierādījumiem, jo tas nenorāda uz konkrētu konfigurācijas piemēru, kura montāžai nepieciešams 18f vai 21q gājienu skaits.

Viena no konfigurācijām, kurai nebija iespējams atrast īsāku risinājumu, bija tā sauktais Super flip vai 12-flip. Super flip risinājumā visi stūra un malas klucīši ir savās vietās, bet katrs malas kubs ir vērsts pretējā virzienā.Michael Reid. Michael Reid's Rubik's cube page. M-symmetric positions (англ.) (May 24, 2005). Дата обращения 17 июля 2013. Virsotne, kas atbilst Super flip Rubika kuba skaitam, ir lokālā maksimālā vērtība: jebkurš šīs konfigurācijas pārvietojums samazina attālumu līdz sākotnējai konfigurācijai. Tas liek domāt, ka Super flip ir maksimālā attālumā no sākotnējās konfigurācijas. Tas ir, Super flip ir globālais maksimums.David Singmaster. Cubic Circular (англ.). — 1982. — Iss. 5 & 6. — P. 24.Stefan Pochmann. Analyzing Human Solving Methods for Rubik’s Cube and similar Puzzles (Diploma Thesis)  (англ.).

1992. gadā Diks T. Vinterds atrada "Super flip" risinājumu pie 20f.Dik T. Winter. Kociemba's algorithm (англ.) (Mon, 18 May 92 00:49:48 +0200). Дата обращения 17 июля 2013. Maikls Rīds 1995. gadā pierādīja šī risinājuma pietiekamību,Michael Reid. superflip requires 20 face turns (англ.) (Wed, 18 Jan 95 10:13:45 -0500). Дата обращения 17 июля 2013. kā rezultātā Dieva skaita apakšējā robeža kļuva par 20 FTM. 1995. gadā Maikls Rīds atklāja “Super flip” risinājumu kā 24q.Michael Reid. superflip (англ.) (Tue, 10 Jan 95 18:57:20 -0500). Дата обращения 17 июля 2013. Šī risinājuma pietiekamību pierādīja Džerijs Braiens.Jerry Bryan. Qturn Lengths of M-Symmetric Positions (англ.) (Sun, 19 Feb 95 23:20:22 -0500 (EST)). Дата обращения 17 июля 2013. Maikls Rīds 1998. gadā atrada konfigurāciju, kuras optimālais risinājums bija 26q *.Michael Reid. superflip composed with four spot (англ.) (Sun, 2 Aug 1998 08:47:44 -0400). Дата обращения 4 июля 2015.

 Dieva skaita augšējie aprēķini 
Lai iegūtu Dieva skaitļa augšējo robežu, pietiek norādīt jebkuru mīklas risinājuma algoritmu, kas sastāv no ierobežota skaita gājieniem.

Pirmie augšējie Dieva skaita aprēķini balstījās uz "cilvēka" algoritmiem, kas sastāv no vairākiem posmiem. Augšējo robežu pievienošana katram posmam ļāva iegūt galīgo aprēķinu par vairākiem desmitiem vai simts gājieniem.

Droši vien, pirmo konkrēto novērtējumu no augšējā skaita deva Deivids Singmasters 1979. gadā. Viņa sakārtošanas algoritms ļāva atrisināt mīklu ne vairāk kā ar 277 gājieniem.Л. А. Калужнин, В. И. Сущанский. Преобразования и перестановки. — М, 1985. — С. 143. — 160 с. Vēlāk Singmasters teica, ka Elvin Berlykemp, John Conway un Ričards Guy izstrādātais algoritms, prasa ne vairāk kā 160 gājienus. Drīz vien "Conway's Cambridge Cubists" grupā tika sastādīta vienas skaldnes kombināciju saraksts, atradot 94 gājienu algoritmus.David Singmaster. Notes on Rubik's Magic Cube. — Enslow Publishers, 1981. — P. 30. 1982. gadā žurnāls "Quantum" publicēja to kombināciju sarakstu, kas spēja atrisināt Rubika kubu 79 gājienos.В. Дубровский. Алгоритм волшебного кубика  // Квант. — 1982. — № 7. — С. 22-25.

 Thistletway algoritms 
Astoņdesmito gadu sākumā angļu matemātiķis Morvins Tistletvaits izstrādāja algoritmu, kas ievērojami uzlaboja augšējo Dieva robežu. Sīkāka informācija par algoritmu tika publicēta 1981. gadā žurnālā Scientific American, ko rakstīja Douglas Hofstadter. Algoritms balstījās uz grupu teoriju un ietvēra četrus posmus.

 Apraksts 
Thistletway izmantoja vairākas apakšgrupas, kuru garums bija 4  , kur: 



 Šī grupa ir tāda pati kā Rubika kuba grupa. . Tās secība irПорядок этой и следующих трёх групп вычисляется как произведение трёх множителей, указывающих соответственно количество разрешимых конфигураций углов, количество разрешимых конфигураций рёбер и общее ограничение «чётности» разрешимой конфигурации.Jaap Scherphuis. Cube subgroups . Subgroups generated by face moves (англ.) (недоступная ссылка). Дата обращения 19 июля 2013. Архивировано 20 января 2013 года.



 Šajā apakšgrupā ietilpst visas konfigurācijas, kuras var atrisināt, neizmantojot kreisās vai labās puses pagriezienus par ± 90 °. Viņu secība vienāda ar:



 Šajā apakšgrupā ietilpst visas konfigurācijas, kuras var atrisināt, ja ir aizliegta četru vertikālo virsmu pagriešana ± 90 °. Viņu kārtība ir vienāda



 Šajā apakšgrupā ietilpst visas konfigurācijas, kuras var atrisināt tikai, izmantojot 180° pagriezienus (daļējus pagriezienus). To sauc par “kvadrātu grupu”(squares group). Viņu kārtība ir vienāda



 Šajā apakšgrupā ir iekļauta viena sākotnējā konfigurācija.

Pirmajā posmā patvaļīga konfigurācija no grupas  samazināts līdz konfigurācijai, kas atrodas apakšgrupā . Otrās pakāpes mērķis ir panākt kuba konfigurāciju apakšgrupā  neizmantojot kreisās un labās puses pagriezienus ± 90°. Trešajā posmā Rubika kubs tiek samazināts līdz konfigurācijai, kas pieder grupai , savukārt vertikālo virsmu pagriešana ± 90° ir aizliegta. Pēdējā, ceturtajā posmā Rubika kubs ir pilnībā salikts, pagriežot malas par 180°.

Apakšgrupu indeksi , kur  vienāds ar attiecīgi 2048, 1082565, 29400 un 663552.

Katrai no četrām blakus esošās klases ģimenēm  meklēšanas tabula ir izveidota  kuru lielums sakrīt ar apakšgrupas indeksu  grupā . Katrā blakus esošajā klasē pa apakšgrupām  uzmeklēšanas tabula  satur kustību secību, kas pārveido jebkuru konfigurāciju no šīs blakus esošās klases uz konfigurāciju, kas atrodas pašā apakšgrupā .

Lai samazinātu ierakstu skaitu uzmeklēšanas tabulās, Thistletways izmantoja vienkāršotus sākotnējos gājienus. Sākotnēji viņš saņēma rezultātu 85 gājienos. 1980. gadā šis rādītājs tika samazināts līdz 80 gājieniem, pēc tam līdz 63 un tad jau 52.Mark Longridge. Progressive Improvements in Solving Algorithms  (англ.). Дата обращения 28 июля 2013. Thistletway studenti veica pilnīgu katra soļa analīzi. Maksimālās vērtības tabulās ir attiecīgi FTM 7, 10, 13 un 15 gājieni. Tā kā 7 + 10 + 13 + 15 = 45, Rubika kubu vienmēr var atrisināt 45 FTM kustībās.В. Дубровский. Математика волшебного кубика  // Квант. — 1982. — № 8. — С. 22-27, 48.Jaap Scherphuis. Thistlethwaite's 52-move algorithm (англ.). Дата обращения 17 июля 2013.

 Šreijera skaits 
Šreijera skaits —  saistīts ar grupas  ģeneratora komplektu  un apakšgrupu . Katra Šreijera grafika virsotne ir labā robeža  dažiem . Šreijera skaitam ir pāri .

Katrs no Thistletway algoritma četriem soļiem ir gājiens pa Šreijera grafika platumu  kur  — ģenerējošo grupu komplekts .

Tādējādi augšējais punktu skaits 45 kustībās ir vienāds ar

 ,

kur

  — virsotnes ekscentriskums  kas atbilst vienībai, kas robežojas ar klasi .

Šreijera jēdziens tika izmantots Radu,silviu. Rubik can be solved in 27f  (неопр.). Domain of the Cube Forum (04/01/2006). Дата обращения 20 июля 2013. Kankla un KupermanaKunkle, D.; Cooperman, C. (2007). "Twenty-Six Moves Suffice for Rubik's Cube " (PDF). Proceedings of the International Symposium on Symbolic and Algebraic Computation (ISSAC '07), ACM Press.  darbos.

 Thistletwait algoritma modifikācijas 
1990. gada decembrī Hanss Kloostermans izmantoja mainītu Thistletwaita metodes versiju, lai pierādītu 42 gājienu pietiekamību.Michael Reid. an upper bound on god's number (англ.) (Wed, 29 Apr 92 01:37:26 -0700 (PDT)). Дата обращения 17 июля 2013.

1992. gada maijā Maikls Rīds uzrādīja pietiekamību 39f jeb 56q.Michael Reid. new upper bound (англ.) (Fri, 22 May 92 22:56:34 -0700 (PDT)). Дата обращения 19 июля 2013. Tā modifikācijā tika izmantota šāda apakšgrupu ķēde:






Dažas dienas vēlāk Diks T. Vinters pazemināja savu rezultātu FTM metrikā līdz 37 gājieniem.Dik T. Winter. Corrected calculations are now done. (англ.) (Thu, 28 May 92 15:00:49 +0200). Дата обращения 19 июля 2013.

Ryan Hayes 2002. gada decembrī izstrādāja Thistletwaita algoritma variantu, kas paredzēts Rubika kuba ātrdarbīgai sakārtošanai.Ryan Heise. The Human Thistlethwaite Algorithm (англ.). Дата обращения 19 июля 2013.

 Kotsomba divfāžu algoritms 
Thistletwait algoritmu 1992. gadā uzlaboja Herberts Kotsemba, matemātikas skolotājs no Darmštates.

 Apraksts 
Kotsemba samazināja algoritma posmu skaitu līdz diviem:Herbert Kociemba. Two-Phase Algorithm Details (англ.). Дата обращения 20 июля 2013.Jaap Scherphuis. Computer Puzzling . Kociemba's Algorithm (англ.). Дата обращения 23 июля 2013.





Vizuāls grupas apraksts  var iegūt, veicot šādu marķējumu:Herbert Kociemba. The Subgroup H and its cosets (англ.). Дата обращения 23 июля 2013.

 Atzīmējiet visas U un D etiķetes ar “+”.
 F un B etiķetes uz šķautņu malu elementiem FR, FL, BL un BR ir jāmarķē ar “-”.
 Pārējās etiķetes atstājiet bez atzīmēm.

Tad visās grupas konfigurācijās  būs tāds pats iezīmējums (atbilst marķējumam uz sakārtotā kuba).

Risinājums sastāv no diviem posmiem. Pirmajā posmā norādītā konfigurācija  tulkots ar gājienu secību  kaut kādā konfigurācijā . Citiem vārdiem sakot, pirmā posma uzdevums ir atjaunot marķējumu, kas atbilst sākotnējai konfigurācijai, ignorējot etiķešu krāsas.

Otrajā posmā — konfigurācija  tulkots ar gājienu secību  uz sākotnējo konfigurāciju. Šajā gadījumā sānu virsmu pagriezienus par ± 90° neizmanto, kā dēļ marķējums tiek automātiski saglabāts.

Apkopojot secības  un , tas ir suboptimāls sākotnējās konfigurācijas risinājums.Herbert Kociemba. The Two-Phase-Algorithm (англ.). Дата обращения 23 июля 2013.

 Alternatīvi suboptimālie risinājumi 
Pēc pirmā risinājuma atklāšanas Kotsomba algoritms neapstājas. Alternatīvi optimāli risinājumi pirmajā posmā var izraisīt īsākus risinājumus otrajā posmā, kas samazinās kopējo risinājuma garumu. Algoritms arī turpina meklēt neoptimālus risinājumus pirmajā posmā to garuma pieaugošā secībā.

 Ieviešanas funkcijas 
Lai rastu risinājumus katrā no diviem posmiem, IDA * algoritms tiek izmantots ar heiristiskām funkcijām, kuru pamatā ir attiecīgo apakšuzdevumu risināšanas alternatīvas.

Pirmā posma uzdevums ir atrast risinājumu telpā ar trim koordinātām no marķējuma ar koordinātām (x1, y1, z1) līdz marķējumam (0, 0, 0):Биекция между конфигурациями и тройками координат установлена таким образом, что целевой разметке первого этапа (т.е. любой конфигурации из группы G1) соответствует тройка (0, 0, 0).

 Orientācija x1 astoņiem stūra elementiem (2187 vērtības)
 Orientācija y1 divpadsmit malas elementiem (2048 vērtības)
 Četru malu elementu FR, FL, BL un BR — z1 izvietojums (495 vērtības)

Apskatīsim trīs apakšuzdevumus, kā atrast risinājumu no iezīmēšanas (x1, y1, z1) līdz iezīmējumam (x1', y1 ', 0), (x 1 ', 0, z1'), (0, y1 ', z1 '). Pirmajā posmā izmantotās heiristiskās funkcijas h1 vērtība ir vienāda ar šo apakšproblēmu risināšanas alternatīvo maksimālo. Apakšuzdevumu risināšanas alternatīvas ir iepriekš aprēķinātas un saglabātas datu bāzu veidā ar veidnēm.Стюарт Рассел, Питер Норвиг. Составление допустимых эвристических функций // Искусственный интеллект: современный подход = Artificial Intelligence: A Modern Approach. — 2-е изд.. — М.: Вильямс, 2006. — С. 170 — 173. — 1408 с. — .Англ. pattern databases. В изложении автора алгоритма — «pruning tables».

Otrās pakāpes uzdevums ir atrast risinājumu telpā ar trim koordinātām no konfigurācijas (x2, y2, z2) līdz konfigurācijai (0, 0, 0):Из-за ограничения, связанного с чётностью перестановки элементов, встречается только половина всех троек координат.

 Pārkārtot x 2 astoņus malu elementus (40,320 vērtības)
 Pārkārtojiet y 2 astoņiem augšējās un apakšējās malas elementiem (40320 vērtības)
 Pārkārtojiet z 2 vidējā slāņa četriem malu elementiem (24 vērtības)

Apsveriet trīs apakšuzdevumus, kā atrast ceļu no konfigurācijas (x2, y2, z2) konfigurācijā (x2', y2', 0), (x2', 0, z2'), (0, y2', z2'). Otrajā posmā izmantotās heiristiskās funkcijas h2 vērtība ir vienāda ar šo apakšproblēmu risināšanas alternatīvo maksimālo.

Algoritmā tiek izmantotas papildu optimizācijas, kuru mērķis ir palielināt ātrumu un samazināt atmiņu, ko aizņem tabulas.Herbert Kociemba. Pruning Tables (англ.). Дата обращения 23 июля 2013.

 Programmatūras ieviešana 
Cube Explorer ir Windows algoritma programmatūras ieviešana. Lejupielādes saites atrodas Herberta Kotsemba vietnē.Herbert Kociemba. Download (англ.). Дата обращения 20 июля 2013. 1992. gadā Atari ST personālajā datorā ar 1 MB atmiņu un 8 MHz frekvenci algoritms ļāva atrast risinājumu, kas nepārsniedz 22 pārvietojumus 1—2 minūšu laikā. Mūsdienu datorā Cube Explorer ļauj patvaļīgai konfigurācijai dažās sekundēs atrast ne vairāk kā 20 gājienus.

Pastāv algoritma tiešsaistes versija.Eric Dietz. Solve Your Cube In Less Than 25 Moves (англ.). Дата обращения 20 июля 2013.

 Analīze 
Maikls Rīds 1995. gadā parādīja, ka Kotsomba algoritma pirmajai un otrajai fāzei var būt nepieciešami attiecīgi ne vairāk kā 12 un 18 gājieni (FTM). No tā izriet, ka Rubika kubu vienmēr var atrisināt 30 gājienos. Papildu analīze parādīja, ka 29f vai 42qMichael Reid. new upper bounds (англ.) (Sat, 07 Jan 95 20:24:35 -0500). Дата обращения 19 июля 2013. vienmēr ir pietiekami.

 Korfa algoritms 
Kotsomba algoritms ļauj ātri atrast īsus, suboptimālus risinājumus. Tomēr atrastā risinājuma optimāluma pierādīšana var prasīt daudz laika. Bija nepieciešams specializēts algoritms optimālu risinājumu atrašanai.

1997. gadā Ričards Korfs publicēja algoritmu, kas optimāli atrisina Rubika kuba patvaļīgas konfigurācijas. Desmit izlases veidā atlasītas konfigurācijas tika izšķirtas ne vairāk kā 18 FTM gājienos.Richard E. Korf. Finding Optimal Solutions to Rubik's Cube Using Pattern Databases . — 1997.

Pats Korfa algoritms darbojas šādi. Pirmkārt, tiek noteikti apakšuzdevumi, kas ir pietiekami vienkārši, lai veiktu pilnīgu uzskaitījumu. Tika izmantoti šādi trīs apakšuzdevumi:

 Puzles stāvokli nosaka tikai astoņi stūra virsmām, malu pozīcijas un orientācija tiek ignorēta.
 Puzles stāvokli nosaka seši no 12 malas virsmām, citi bloki tiek ignorēti.
 Puzles stāvokli nosaka pārējās sešas malas virsmām.

Pārvietojumu skaits, kas nepieciešams, lai atrisinātu katru no šiem apakšuzdevumiem, ir zemāk konfigurāciju par pašu skaitu, kas vajadzīgs, lai pabeigtu risinājumu. Patvaļīgi noteikta Rubika kuba konfigurācija tiek atrisināta, izmantojot IDA * algoritmu, izmantojot šo aprēķinu kā heiristiku. Apakšuzdevumu risināšanas izmaksas tiek glabātas datu bāzes veidā ar veidnēm.

Lai arī šis algoritms vienmēr atradīs optimālus risinājumus, tas tieši nenosaka, cik gājienu sliktākajā gadījumā var būt nepieciešams.

Algoritma ieviešana C valodā ir atrodama.Michael Reid. Rubik's cube page. Optimal Rubik's cube solver (неопр.) (October 28, 2006). Дата обращения 20 июля 2013.

 Turpmākie uzlabojumi 
2005. gadā Maikla Rīda QTM rādītājs uzlaboja Silviu Radu līdz 40q.Silviu Radu, "A New Upper Bound on Rubik's Cube Group", arΧiv:math/0512485  Silviu Radu 2006. gadā pierādīja, ka Rubika kubu var salikt ar 27f vai 35q.silviu. Rubik can be solved in 35q  (неопр.). Domain of the Cube Forum (03/22/2006). Дата обращения 20 июля 2013.

2007. gadā Daniels Cankle un Gene Cooperman izmantoja superdatoru, lai pierādītu, ka visas neatrisinātās konfigurācijas var atrisināt ne vairāk kā 26 FTM kustībās. Ideja bija apvienot Rubika kubu vienā no 15 752 kvadrātu apakšgrupas konfigurācijām, kuras katru beidzot var atrisināt ar dažiem papildu gājieniem. Lielākā daļa konfigurāciju tika atrisinātas šādā veidā ne vairāk kā 26 reizes. Atlikušās konfigurācijas tika pakļautas papildu analīzei, kas parādīja, ka tās tiek atrisinātas arī 26 gājienos.Northeastern University Researchers Solve Rubik’s Cube in 26 Moves  (неопр.). Дата обращения 20 июля 2013.

Tomass Rokiki 2008. gadā publicēja skaitlisku pierādījumu puzles atrisinājumam ar 25 FTM kustībām.Tom Rokicki, "Twenty-Five Moves Suffice for Rubik's Cube", arΧiv:0803.3435  Rokiki 2008. gada augustā paziņoja par pierādījumu ar 23f.rokicki. Twenty-Three Moves Suffice  (неопр.). Domain of the Cube Forum (04/29/2008). Дата обращения 20 июля 2013. Vēlāk šis rādītājs uzlabojās līdz 22f.rokicki. Twenty-Two Moves Suffice  (неопр.) (недоступная ссылка). Domain of the Cube Forum (08/12/2008). Дата обращения 20 июля 2013. Архивировано 5 декабря 2011 года. 2009. gadā viņam izdevās parādīt veikumu ar 29 QTM gājieniem.rokicki. Twenty-Nine QTM Moves Suffice  (неопр.). Domain of the Cube Forum (06/15/2009). Дата обращения 20 июля 2013.

2010. gadā Tomass Rokiki, Herberts Kotsomba, Morlijs Deividsons un Džons Detridžs paziņoja par pierādījumiem, ka jebkuru Rubika kuba konfigurāciju var atrisināt ne vairāk kā 20 kustībās FTM metrikā. Kopā ar iepriekš zināmo apakšējo robežu 20f *, tas bija pierādījums tam, ka FTM metrikā Rubika kuba Dieva numurs ir 20.

2014. gada augustā Rokijs un Deividsons paziņoja, ka Rubika kuba Dieva numurs QTM metrikā ir 26.Adam P. Goucher. Superflip composed with fourspot (неопр.). Complex Projective 4-Space (25 сентября 2015).

 Antipodes meklēšana 
Rubika kuba konfigurāciju, kas atrodas maksimālā attālumā no sākotnējās konfigurācijas, sauc par antipodi. Jebkuram antipodam FTM metrikā ir optimāls risinājums 20f *, un jebkuram antipodam QTM metrikā ir optimāls risinājums 26q *.Jaap Scherphuis. Cayley Graphs. Distances (англ.). Дата обращения 4 июля 2015.

Ir zināms, ka FTM metrikā ir miljoniem antipodu.Known Distance-20 Positions in the Half-Turn Metric. Known Distance-24 or Greater Positions in the Quarter-Turn Metric Viena no šīm konfigurācijām ir “Super flip”. Gluži pretēji, QTM metrikā šobrīd ir zināma tikai viena antipoda konfigurācija (neskaitot no tā iegūtās konfigurācijas pēc pagriezieniem) — “Super flip un četru punktu sastāvs” (Super flip sastāv no četriem punktiem). Ir zināmas tikai divas konfigurācijas 25q * attālumā no sākotnējās konfigurācijas un apmēram 80 tūkstoši konfigurāciju 24q * attālumā.

 Asimptotiskie aprēķini 
2011. gadā tika parādīts, ka Dieva kuba n × n × n skaitlis ir Θ (n 2 / log (n)).Demaine, Erik D.; Demaine, Martin L.; Eisenstat, Sarah; Lubiw, Anna & Winslow, Andrew (2011), "Algorithms for Solving Rubik's Cubes", arΧiv:1106.5736v1 [cs.DS] Larry Hardesty. The math of the Rubik’s cube. New research establishes the relationship between the number of squares in a Rubik’s-cube-type puzzle and the maximum number of moves required to solve it (англ.). MIT News Office (June 29, 2011). Дата обращения 23 июля 2013.

 Citas mīklas 

 Void Cube 
Void Cube ir 3x3x3 Rubika kubs bez centrāliem elementiem.

FTM metrikā optimālā "Void Super flip" risinājuma garums ir 20f,rokicki. Void cube diameter at least 20 (face turn metric)  (неопр.). Domain of the Cube Forum (01/19/2010). Дата обращения 28 июля 2013.rokicki. Void cube diameter at least 20 (probably 20) (неопр.). Speedsolving.com (01/19/2010). Дата обращения 28 июля 2013. kas ir pierādījums tam, ka ir nepieciešami 20 gājieni. Tā kā Void Cube ir vieglāka Rubika kuba versija, tad esošo 20 Rubika gājienu pierādījums var būt attiecināms uz Void Cube. Tāpēc FTM metrikā Void Cube mīkla ir arī attiecināma uz Dieva algoritmu.

 Kubs 4 × 4 × 4 
Mīklas 4 × 4 × 4 konfigurāciju skaits ( — Rubika atriebība) ir vienāds arJaap Scherphuis. Rubik's Revenge (англ.). Дата обращения 28 июля 2013.



 Metrika 4 × 4 × 4 
Ir vairāki veidi, kā noteikt metriku 4 × 4 × 4 kubam. Šajā sadaļā tiek izmantota šādi apzīmējumi:

 q-s (quarter slice): vienu pagriezienu uzskata par jebkura 12 mīklas skaldņu pagriešanos par ± 90°;
 q-w (quarter twist): vienu pagriezienu uzskata par jebkura ārēja bloka (ti, tikai virsmu vai virsmu ar vairākiem blakus esošām skaldnēm, kas tam blakus atrodas) pagriešanos par ± 90°;
 q-b (quarter block): vienā kustībā tiek pagriezts jebkurš ārējs vai iekšējs bloks (t.i., jebkura secīgu paralēlu slāņu secība) par ± 90° attiecībā pret pārējo mīklas daļu;
 h-s, h-w, h-b : līdzīgi kā iepriekšējie trīs rādītāji, izņemot to, ka ir atļautas arī 180° rotācijas.

Patvaļīgas konfigurācijas optimālā risinājuma garums q-b metrikā nav lielāks kā q-w vai q-s metrikā, jo q-b metrikā ir atļauti visi pārējo divu q-metriku gājieni. Tas pats attiecas uz h-metriku.

 Aprēķins par Dieva kuba konfigurāciju skaitu 4 × 4 × 4 
2006.-2007. gadā Brūss Norskogs veica 4 × 4 × 4 kuba 5-pakāpju analīzi, līdzīgi kā Tistletwaits veiktā 4-pakāpju analīze 3 × 3 × 3 Rubika kubam. Analīzes rezultātā tika iegūtas augšējās robežas 82 kustībām metriskajā h-wBruce Norskog. New upper bounds: 82 twist turns, 67 block turns  (неопр.). Domain of the Cube Forum (08/13/2007). Дата обращения 28 июля 2013. 77 kustībām metriskajā h-sBruce Norskog. The 4x4x4 can be solved in 77 single-slice turns  (неопр.). Domain of the Cube Forum (07/26/2007).Bigger rubik cube bound  (неопр.) (недоступная ссылка). Project Euler. Дата обращения 28 июля 2013. Архивировано 29 мая 2014 года. un 67 kustībām metriskajā h-b.

2013. gadā Šuangs Čens (陈 霜) pazemināja aprēķinu h-w metrikā no 82 līdz 57 pagriezieniem.CS. Solving the 4x4x4 in 57 moves(OBTM)  (неопр.). Domain of the Cube Forum (09/30/2013). Дата обращения 19 ноября 2013.

Tomass Rokiki 2015. gadā apstiprināja savu labāko rezultātu 57 h-w pagriezienos un saņēma jaunus rezultātus 56 h-s un 53 h-b.rokicki. 4x4x4 upper bounds: 57 OBTM confirmed; 56 SST and 53 BT calculated.  (неопр.). Domain of the Cube Forum (03/03/2015). Дата обращения 1 июля 2015. Dažas dienas vēlāk Šuangam Čenam (陈 霜) izdevās iegūt augšējās robežas 55 h-w un 53 h-s, no jauna definējot pierādīšanas posmus.CS. 4x4x4 new upper bound: 55 OBTM  (неопр.). Domain of the Cube Forum (03/07/2015). Дата обращения 1 июля 2015.CS. 4x4x4 new upper bound: 53 SSTM  (неопр.). Domain of the Cube Forum (03/09/2015). Дата обращения 1 июля 2015.

2011. gadā Tomass Rokiki, balstoties uz vairākām esošām idejām, sešās metrikās noteica zemākas Dieva skaita robežas kubveida mīklām ar izmēriem no 2 × 2 × 2 līdz 20 × 20 × 20.rokicki. Lower Bounds for n x n x n Rubik's Cubes (through n=20) in Six Metrics  (неопр.). Domain of the Cube Forum (07/18/2011). Дата обращения 28 июля 2013. Rezultāti par 4 × 4 × 4 kubu ir parādīti tabulā (kopā ar zināmajām augšējām robežām).
+ Dieva kuba konfigurāciju skaits 4 × 4 × 4 metriskā hs hw hb qs qw qb zemāks rezultāts 32 35 29 37 41 33 labākais rezultāts 53 55 53 ? ? ?

 Megaminks 
Megaminks ir vienkāršākais Rubika kuba analogs dodekaedra formā. 12 krāsu Megaminks konfigurāciju skaits ir 1,01 · 10 68.

Herberts Kotsemba 2012. gadā Megaminks noteica Dieva skaitļa apakšējo robežu, kas ir vienāda ar 45 virsmu pagriešanu uz jebkura leņķa vai 55 pagriezieniem pa aptuveni 72° leņķi.Herbert Kociemba. Megaminx needs at least 45 moves  (неопр.). Domain of the Cube Forum (02/28/2012). Дата обращения 28 июля 2013.Herbert Kociemba. Lower bound for Megaminx in htm and qtm (неопр.). Speedsolving.com (03-01-2012). Дата обращения 28 июля 2013. Herberts Kotsomba 2016. gadā noskaidroja Megaminks zemāko Dieva algoritma skaitu, palielinot to līdz 48 šķautņu rotācijām jebkurā leņķī.Lower bound for Megaminx in htm and qtm

 Atsauces 

 Ārējās saites 










Kategorija:Kombinatorika
Kategorija:Grupu teorija
Kategorija:Meklēšanas algoritmi
Kategorija:Lapas ar nepārskatītiem tulkojumiem