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九 章 格 数 学 · 数 学 游 戏 工 坊

管道工 · 鬼脚图工坊

Piet Hein 的 Tangloids 的纸笔化身——竖线为管道,横线为对换。
每一根横线都是一次相邻对换,整张图就是一场置换:绝不撞车、人人有份。
抽签台 · 公平分配
挑战台 · 画出指定置换
① 设置人数与名单
② 管道图
点击「生成随机管道图」开始——每个入口都只会到达一个独一无二的出口。
为什么绝不撞车?每根横线只交换相邻两条管道上的对象(一次相邻对换), 换来换去,n 个对象仍是 n 个各占一位——整张图是入口到出口的一个双射(置换)。
📜 游戏小史 · 从阿弥陀签到 Tangloids(点开阅读)

阿弥陀签(あみだくじ)——本工坊的「管道图」在日本称阿弥陀签,起源可追溯到室町时代(15 世纪前后):在大殿梁柱间牵起绳索、众人各执一绳下行以定座次,后简化为纸上画竖线与横线,成为流传至今的抽签方式。它最大的妙处正是这里演示的性质:横线只交换相邻两条线上的对象,因此 n 人 n 事绝不撞车、人人有份。

Piet Hein 的 Tangloids(约 1930 年代)——丹麦数学家、诗人 Piet Hein(1905–1996)为向朋友演示电子自旋的奇特性质,发明了三维双柱版本的「缠绕与解缠绕」游戏:两条管道每交叉一次相当于一个半圈,交叉两次回到原状——这正是旋量群 SU(2) 到旋转群 SO(3) 的双覆盖在纸面上的化身。马丁·加德纳后来在《科学美国人》数学游戏专栏向大众介绍了它,收于《New Mathematical Diversions from Scientific American》。

数学内核——把每根横线记作相邻对换 s1, s2, …, sn−1,整张图就是这些对换的乘积:一场置换。相邻对换生成整个对称群 Sn,所以任何目标排列都一定画得出来——这正是挑战台的秘密。想读更完整的来龙去脉与四步画法算法,可看站内论文《管道工游戏中的数学》。