问题

魔方求最少步解法有系统的方法吗?

回答
魔方最少步解法,真的有传说中的“系统方法”吗?

提起魔方,许多人脑海中浮现的是那些在键盘上飞舞的手指,瞬间将一团乱麻变成整齐划一的模样。然而,如果你也曾沉迷于魔方世界,一定也对那个终极问题感到好奇:是否存在一种放之四海而皆准的“系统方法”,能够给出任何一个打乱魔方最少步的解法? 简单来说,就是有没有一个万能公式,输入打乱情况,直接输出最优解?

答案嘛,得拆开来看。

从理论上看:有,但现实中几乎不可能。

是的,从纯粹的数学和计算机科学角度来说,答案是肯定的。魔方的打乱状态是有限的,只是数量极其庞大(大约是 $4.3 imes 10^{19}$ 种)。计算机可以通过穷举所有可能的打乱状态,并为每一种状态计算出最少步的解法。这个过程就好像给每一本字典都标注上所有单词最简短的解释一样。

事实上,魔方最少步解法的问题,也被称为“上帝之数”(God's Number)问题。经过无数计算机科学家和数学家的努力,这个数字已经被确定为 20。也就是说,无论一个魔方被如何打乱,都可以在最多20步之内还原(这里的一步是指转动魔方的一层,无论是顺时针还是逆时针)。这个突破性的研究成果,充分展示了计算能力和算法的强大。

然而,这里的“系统方法”和我们日常理解的“系统方法”还是有区别的。

我们通常所说的“系统方法”,是希望能够有一套易于理解和学习的规则或算法,让人类也能高效地运用。而计算机的“穷举+查找”方法,虽然理论上是最优的,但它产出的结果是针对 特定打乱状态 的 特定最优解。

想象一下,如果你要给一个特定打乱的魔方找出最少步解法,计算机会给你一个长长的转动序列。这个序列很可能非常复杂,对于人类来说,学习和记忆这样一个庞大的“解法数据库”是不现实的。而且,即使你记住了,当你拿到一个 新的 打乱魔方时,你需要再次进行一次复杂的查找过程,这显然不是我们想要的“系统方法”。

那么,我们日常所说的“系统方法”,更接近于什么呢?

当我们谈论魔方的“系统方法”时,我们通常指的是 人类可以学习、理解和应用的方法,这些方法能够系统性地将魔方还原,并且尽量追求效率(接近最少步),但并不一定能达到绝对的最少步。 这些方法通常被称为“魔方解法公式”或“还原教程”。

这些方法的核心思想是 层层递进、分步解决。它们将一个复杂的还原过程分解成若干个相对独立的小步骤,每个步骤解决魔方的一个特定部分。

以下是一些主流魔方解法的核心思想和它们如何构成一个“系统方法”的详细讲解:

1. 入门级(三阶魔方为例):还原一角、还原一条棱、还原一层、还原二层、还原顶层十字、顶层角块归位、顶层棱块归位等。

这是最基础也是最容易入门的魔方还原方法。它的“系统性”体现在:

模块化分解: 将整个魔方还原过程分解成“还原第一层”、“还原第二层”、“还原第三层”这三个主要阶段。
循序渐进: 在每个阶段内,再细分为更小的目标,例如第一层可以分为“还原顶面十字”、“还原顶面角块”。
特定公式: 每个小目标都有对应的特定转动公式(也称为“手法”或“算法”)。这些公式经过精心设计,能够实现特定的目的,例如将某个颜色块移动到指定位置,或者交换相邻的两个块而不影响其他已还原的部分。

以还原顶层十字为例:

你可以把所有打乱的魔方想象成等待被整理的散乱物品。还原顶层十字就像是找到所有需要的十字形物件,并将它们放在桌子中间的特定位置。

观察打乱情况: 首先,你拿到一个打乱的魔方。你需要先确定你想要还原的是哪个面的十字,比如白色面。然后,观察其他面上带有白色块的棱块都在哪里。
分类处理: 可能出现的打乱情况有几种:
一个白色的中心块(这是默认的,中心块不动)。
白色块位于中间层的棱块上:这种情况比较简单,通常只需要一到两次转动就能将其提到顶层。
白色块位于底层棱块上:这时你需要识别出这个棱块,并根据它在底层的位置,通过特定的手法将其提上来,但要避免破坏已经归位的其他块。
白色块朝向错误:即使棱块在顶层,但白色面朝向不对。这时候就需要用公式将其翻转过来。
运用公式: 对于上面提到的不同情况,都有相应的“万能公式”。比如,当白色块朝向侧面时,可以使用一个简单的公式将其翻转并归位。当白色块在底层时,可能需要一个稍微复杂点的公式,它能将底层棱块“抽”出来并放在顶层,同时保持其他块的相对位置。
目标达成: 不断运用这些公式,直到魔方顶层出现一个完美的白色十字。

这种方法的“系统性”在于,你不需要一次性想出完整的还原方案。你只需要识别当前魔方的状态,然后套用相应的公式去解决一个小问题,直到所有小问题都解决,整个魔方就还原了。

2. 中高级解法: CFOP (Cross, F2L, OLL, PLL)

这是目前世界上最流行、最被广泛使用的高级魔方解法之一。它的“系统性”更加精炼和高效:

Cross (底面十字): 和入门级一样,先完成底面的十字。但高级玩家会提前规划,一次性完成十字,同时将相邻的棱块和角块也初步归位,这被称为“优化十字”。
F2L (First Two Layers 前两层): 这是CFOP的核心和难点。它的目标是同时还原底层的角块和棱块,将它们配对并插入到正确的位置。
系统性: F2L将魔方还原过程分解为24种不同的情况。每种情况对应一个特定的棱块和角块的组合,以及它们在魔方上的位置和朝向。你只需要识别出当前的配对情况,然后套用相应的公式将其一次性插入到位。
高效率: 相比入门级的一层一层还原,F2L大大减少了转动步数,因为它将两个块的还原和放置集成在一起。例如,当你看到一个白色和红色角块在底层,以及一个红色和蓝色棱块在中间层时,你可以通过一个公式将它们配对并一起放入到正确的位置,而不需要分开处理。
OLL (Orientation of the Last Layer 顶层方向): 当前两层完成后,顶层的所有块可能已经归位(在正确的位置),但它们的颜色方向可能不正确。OLL的目标是调整顶层所有块的颜色方向,使其全部朝向正确(例如,顶层都是黄色)。
系统性: OLL有57种不同的情况(包括一些简化的“双色OLL”)。每种情况对应顶层块颜色朝向的不同组合。你只需要识别当前顶层的颜色朝向模式,然后套用对应的公式来一次性解决。
目标明确: OLL只关心颜色方向,不关心块在顶层的位置。这意味着你可以应用公式,将顶层的颜色方向调整正确,而顶层块的位置可能会发生变化,但这没关系,因为下一步会解决位置问题。
PLL (Permutation of the Last Layer 顶层置换): 在OLL完成后,顶层的颜色方向都已正确。但此时,顶层块可能在错误的位置上(虽然颜色都朝上)。PLL的目标是将顶层块按照它们正确的最终位置进行排列。
系统性: PLL有21种不同的情况,每种情况对应顶层块在错误位置的不同排列组合。你只需要识别当前的块的排列状态,然后套用相应的公式来交换或调整它们的位置,直到所有块都在正确的位置上。
最终还原: PLL是最后一步,一旦所有块都归位,魔方就彻底还原了。

CFOP的系统性体现在它的高层次的模块化和大量的“标准化”公式库。 通过学习和记忆这些公式,你可以将一个复杂且不可预测的打乱过程,转化为一系列可识别的模式和对应的解决方法。这就像学习一套武术招式,每种招式都有其特定的应用场景和效果。

3. 其他高级解法: Roux, ZZ 等

除了CFOP,还有很多其他高级解法,比如Roux、ZZ等。这些方法的“系统性”同样体现在它们将魔方还原过程分解成更小的、可控的子问题,并通过特定的算法或公式来解决这些子问题。

Roux: 这种方法强调通过构建“块”来还原魔方,而不是一层一层地解决。它通常会先在魔方的两个相邻面上构建2x2x2的块,然后是2x3x3的块,最后再处理剩余的部分。它的系统性体现在其独特的块构建策略和对应的处理手法。
ZZ: ZZ方法则强调对棱块方向的优化,通过旋转魔方来解决棱块的方向问题,从而简化后续的步骤。它的系统性在于其对棱块方向的预处理和由此衍生的解法流程。

这些高级方法的“系统性”体现在:

更少的步骤,更高的效率: 通过更智能的块组合和预处理,可以显著减少转动步数,接近理论上的最少步。
更强的逻辑性和预判性: 高级解法往往需要更多的观察和预判能力,你需要在开始还原之前就对魔方有一个更全面的规划。
更庞大的公式库: 想要精通这些方法,需要记忆和熟练运用大量的公式。

总结:我们追求的“系统方法”是什么?

我们追求的“系统方法”,并非是那个能够直接给出理论上最少步的“上帝之数”的计算机算法。因为那个算法对人类来说过于复杂且不实用。

我们真正需要的是:

一套结构化的还原流程: 将复杂的还原过程分解成一系列有逻辑、可执行的子步骤。
一套有针对性的“公式”或“手法”: 用于解决每个子步骤中的特定问题,并且这些公式是人类可以学习和记忆的。
一套观察和判断的规则: 能够帮助我们识别当前魔方所处的具体情况,从而选择正确的公式。

所以,魔方最少步解法有没有系统的方法?

从理论上存在一个绝对的“最少步解法系统”,但这是计算机实现的,人类难以直接掌握。
从人类可学习和应用的角度来看,是的,存在许多“系统方法”,如CFOP、Roux等。这些方法通过层层递进、模块化分解和公式化操作,为人类提供了一种高效且有条理的还原途径,并尽可能地接近理论上的最少步。

与其说是追求“最少步”,不如说是在掌握一套高效的“系统方法”的基础上,通过不断的练习和优化,让自己的还原速度越来越快,使用的步数也越来越少。这才是魔方爱好者们真正所追求的“系统性”。

网友意见

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先向非魔友科普下什么叫「最少步」。相比于传统竞速魔方项目不同,最少步顾名思义,比的是选手们还原魔方所需要的步数。世界魔方协会(WCA)最少步规则如同考试(赛场一般就在教室,比赛严格遵循考场纪律),给定一个打乱状态和1小时的尝试时间,选手可以随心所欲的使用各种方法复原魔方(尽管可用的材料只有:笔、草稿纸、任意贴纸、不超过三个魔方),最后在考试结束前提交一个可以复原那个打乱状态的解法,看谁所用的步数少。

回到原问题。「系统的方法」如果指的是类似CFOP或桥式之类的诸如「先完成阶段A,然后阶段B,……,最后还原」的话,那肯定是不存在的。或者更精确的观点应该是:

任何系统的还原方法对最少步解法都是一种约束

何况别忘了我们有一个小时的时间,为什么要局限于某种特定的方法呢,完全可以混着来啊。例如先试一下CFOP,发现步数太长,然后试一下桥式,再不行就试一下降群之类的。当然这只是打个比方,实际情况会更复杂一些,比如很可能我先用桥式做出两个1x2x3,然后刚好比较巧,再花个没几步就搞定了前两层,那我顶层就可以直接用OP解决了。

于是这就回答了第二个问题,为什么很多选手会在草稿纸上写很多算法。比如我用桥式做完1x2x3,但我不知道之后是接着做桥式好呢,还是别的好,那么我会把做1x2x3的步骤先记下来,免得忘记。

当然尽管最少步没有系统的方法,有很多技巧还是具有通用性的。例如NISS,三循环插入等技巧,如果题主感兴趣,可以去魔方吧最少步板块转转:

bbs.mf8-china.com/forum

ps: 某个最少步讨论群的名字叫做:「RP和公式的绝佳配合」,我们都认为用这个描述「最少步」相当精确。

ps2: WCA规则中「不超过三个魔方」的表述是近几年才改的,之前规则表述为「一至三个魔方」,于是我们得出:最少步现在可以「脑拧」了!

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