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可 以 玩 的 数 学 · 第 31 站 · 九章格数学 PhiloMath

二十四点工坊 · 24 Points / 四则·括号·扩展算子

一副牌里的组合数学:四张牌、加减乘除加括号,把 24 拼出来。 本工坊的求解器对全部 1820 种牌型做穷举——「无解」也是被程序证明的结论; 想更疯一点?阶乘、乘方、开方、对数、三角随您装配。

任意一手 · 即刻判决

输入 1–13 的四张牌(重复允许)。经典规则恒开:四则 + 括号、中间值允许分数、穷举全部合并树—— 给出「无解」即为该规则下的严格证明。勾选扩展算子后按声明边界再搜一轮。

填好四张牌,点「求解」。

全谱普查(本站求解器实算)

从扑克牌到组合搜索

「二十四点」是华人世界流传最广的算术游戏之一(商业版由 Robert Sun 于 1988 年定型)。 规则极简:四张牌,用加减乘除和括号把 24 凑出来,每张牌恰好用一次。它的数学味道在于三点: 搜索空间(四张牌的合并树只有几千个节点,手算可枚举、机器可穷举); 分数中间值(像 3,3,8,8 这样「最硬」的手,必须借助 8÷3 这种分数才能通向 24); 无解的可证性(穷举即证明——本站对全部 1820 种牌型给出了逐手判决)。

1820 与 1362:全谱的两个关键数

点数 1–13、四张可重复:牌型数是多重组合 C(13+4−1,4)=C(16,4)=1820。 经典规则下逐手穷举: 手可解、 手无解。 「唯一解」的手(结构去重后只有一种拼法)有 种,是天然的关底 boss——3,3,8,8 便是其中最著名的一手。

扩展算子:把它们请上桌之前,先立规矩

阶乘与开方是 24 点扩展的两大功臣:458 手经典无解牌里,至少 手被阶乘救活, 至少 手被开方救活(扩展搜索带算力预算,增益为预算内下界;「无解」判决则不依赖预算—— 预算耗尽只会漏报「可解」,绝不会误报「无解」)。但三角函数与对数必须先立边界——本站的声明是: n! 仅对整数 0–6、链深 ≤2;√ 完全平方取精确值;乘方仅整指数 −5..5;lg 取精确特例 lg(1)=0、lg(10k)=k; sin/cos/tan 除 sin 0=0、cos 0=1、tan 0=0 外只走数值,且解须满足 |x−24|<10−9 才算命中、并标注「数值解」。 在这些边界内,求解器对每手的搜索是完备的。

为什么「先凑 4 再乘 6」是一条万能暗线

24 = 4×6 = 3×8 = 2×12 = (5−1)×6 = …… 把目标 24 做因式分解,是人类的启发式; 而求解器不靠启发式——它老老实实走遍每棵合并树。两相对照恰是本站的教益: 启发式给您速度,穷举给您真理。当您喊出「无解!」的时候,是全谱普查在替您背书。

延伸阅读

Robert Sun《The 24 Game》;Martin Gardner 对算术谜题的评论(Spheres of Nature 一系的数字谜题传统); Ball–Coxeter《Mathematical Recreations》;关于穷举与可解性统计的公开整理(如 1820 牌型 458 无解的通行统计,与本站实算一致)。 全部关卡数据、解数与「无解」判决均由本站求解器程序实算并经对拍校验。