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九章格数学 · 数学游戏工坊 · 第五十七座

三角独立钻石棋工坊

十五孔三角棋盘,十四枚棋子,顶孔空。像独立钻石棋一样跳子吃子——但这一次棋盘是三角形点阵:每个子有六个邻居,跳行有三个方向。本局之问:能不能走到只剩一枚棋子,而且它恰好停在最后一行?背后的判决书,是抽象代数里最小的非循环群——Klein 四元群。

规则与目标

任选一枚棋子,跳过相邻的一枚(横、左斜、右斜三个方向),落到其后紧邻的空孔里,被跳过的子拿走。落点若已有子则不可落——三者之中只吃中间那一子。走到无处可跳为止。

目标:末行正中(13 号) 目标:任意单子
剩子 14
已跳 0 步
当前位置类 e₃
可达目标 是
顶孔空开局。提示:官方口诀「先填顶,再画菱形」。
(尚未落子)

棋子:点选一枚亮起可落点,再点空孔起跳。棋盘孔序自顶点起逐行编号 1–15。

判决书:Klein 四元群

这个问题不需要碰运气——一个七行的群论论证就能把「末行哪里可、哪里不可」说死。主角是 Klein 四元群 ℤ₂×ℤ₂={0, e₁, e₂, e₃}:最小的非循环群——四个元素各自与自己相加得 0,任何两个非零元相加恰得第三个(e₁⊕e₂=e₃),交换律当然成立。

第一步 · 给十五个孔发三色通行证

把 ℤ₂×ℤ₂ 的三个非零元 e₁、e₂、e₃ 当成三种颜色,按下图给 15 个孔染色(染色方式由程序从「每条跳线三色齐全」的线性方程组解出,本质唯一)。于是每条可跳直线上的三个相邻孔,恰好一 e₁、一 e₂、一 e₃,无一例外——36 条跳线全部程序核验通过。

图 1 · 三色棋盘:任一方向的连续三孔必是 e₁、e₂、e₃ 各一。图中金色跳线演示一次跳跃:吃掉 e₁ 与 e₂,落子补回 e₃=e₁⊕e₂。

第二步 · 不变量:全盘之「异或」纹丝不动

把一个局面的类定义为:盘上所有棋子所在孔的类标在 ℤ₂×ℤ₂ 中求和(即逐位异或)。一次跳跃吃掉类标 x、y 的两子、补回类标 z 的一子,而三孔同线保证 x⊕y⊕z=0——故

Σ棋子 ⊕ x ⊕ y ⊕ z = Σ棋子 ⊕ (x⊕y⊕z) = Σ棋子 (不变!)

开局顶孔空:三色各恰有 5 孔,e₃ 色被拿走一个,故开局类=e₁⊕e₂=e₃。无论怎么跳,这个类永远不变。

第三步 · 宣判:末行五孔,四孔死刑

若终局只剩一子,这枚子独自承担全盘的类,故它必须站在 e₃ 类的孔上。全盘 e₃ 孔恰 5 个(下图金色),而末行五孔中只有正中的 13 号是 e₃——所以:

图 2 · 与开局同类的 5 个孔(金色)。末行 11–15 号中,只有 13 号(正中)够格做终局单子;11、12、14、15 号被不变量直接判死,一步都不用试。
末行孔位111213(正中)1415
类标e₂e₁e₃e₁e₂
判决无解无解16 128 解无解无解

第四步 · 类匹配还不够,引擎来穷举

不变量只是必要条件:第 5 号孔也是 e₃ 类,与开局同类,可穷举引擎把它的 3 012 个后继死局全部走遍——0 解。真正可达的单子终点只有四个:

单子终点(孔号)1(回到顶孔)71013(末行正中)5
解法数6 8163 4083 40816 1280(类匹配仍无解)

合计 29 760 种单子终局。末行正中的 16 128 种解法中,最省事的一种只有 13 步(每跳一步必少一子,13 步是下限)——「对局」页的演示按钮放的就是它,且与 Cracker Barrel 官方教程的解法逐步一致。程序复演通过

附 · 官方 13 步解(孔号 1–15)

为什么偏偏是 Klein 四元群?三角点阵里三个跳行方向两两成 60°,任何一条跳线的三孔在模 2 的坐标语言里恰是「三个非零元彼此不同、求和为零」的组合——这正是 ℤ₂×ℤ₂ 的加法表。正方形棋盘的独立钻石棋要用 16 类位置判决(见本站独立钻石棋工坊),三角盘因点阵对称性更高而简化为 Klein 群的 3 色定理;Bell(2007)把它推广成任意尺寸三角盘的可解性充要条件。

史话:从太阳王宫廷到路边餐馆

独粒钻石棋(Peg Solitaire,法语 Solo Noble)诞生于 17 世纪法国宫廷;三角变体则迟至 19 世纪末才现身美洲,又因一家乡村餐馆而风靡世界。

1687 年 8 月 · 巴黎
法国杂志《Mercure galant》刊出世界上第一篇带图解的独粒钻石棋规则——印在纸上之前,它已在路易十四的宫廷里流行多年。
1697–1707 年 · 宫廷版画
多幅宫廷绘画描绘贵族对弈独钻棋;1707 年 Claude Auguste Berey 为苏比斯亲王妃 Anne de Rohan-Chabot 制作的版画流传至今。少年卢梭后来在《忏悔录》里也提到这副让他「爱不释手」的棋。
1891 年 · 美国专利
已知最早的三角格独粒钻石棋记载:一项 16 孔「螺旋桨」棋盘的美国专利——三角形点阵从此入谱。
1932 年 · 《Puzzle Craft》
Lynn Rohrbough 编辑的手工谜题手册首次记载 15 孔三角盘——今天标准玩法就此定型。
1969 年 · 田纳西州 Lebanon
Dan Evins 创办 Cracker Barrel 乡村商店,木匠 Ollie Qualls 父子手工钻孔、盖印、数子,做出第一批桌面三角棋。棋盘侧面刻着排名:留 4 子「Ig-no-ra-moose(睁眼瞎)」、3 子「Just Plain Dumb(笨)」、2 子「Purty Smart(相当聪明)」、留 1 子——「Genius(天才)」。如今每年售出近 50 万副,仍由 Qualls 家族手工制作。
2007 年 · Klein 群登场
George I. Bell 发表《Solving Triangular Peg Solitaire》(arXiv:math/0703865),以位置类理论给出任意尺寸三角盘「一空开局、指定终点单子」问题的充要条件;2009 年又证明 15 孔盘的全部胜位只需 437 个关键局面即可判定。本馆对局页的「可达目标」实时判定,用的正是同一套数学。

顺带一提:Cracker Barrel 官方博客那句「其实有 6,000 多种赢法」说得还保守了——按跳步计,仅末行正中终点就有 16,128 种解。真正可怕的是它的后半句:「走错两步,就几乎再也赢不了了」——这一点,位置类不变量早就写进了判决书。