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九章格数学 PhiloMath · 数学游戏工坊

三圆枚举挑战

三个圆 · 十四种交叠 —— 枚举三个集合的全部维恩结构

挑战 拖动三个圆,集齐 14 种交叠结构

拖动三个圆,寻找不同的组合

三个圆的半径固定,选中的圆会出现同色淡填充。鼠标或手指拖动,也可按 Tab 选择圆,再用方向键移动,按 Shift 精细调整。松手后新结构逐渐缩小为周边对应的标准图形,随后原地生成新的一组圆。同构结构只计一次,相切不另计一种。未发现的结构默认不显示;按「呈现全部解答」可一次查看全部 14 种结构,已发现的以金色高亮。找到14种后完成挑战。

玩法 一分钟上手

  1. 三个圆的半径固定——黄大圆、紫中圆、湖小圆;用鼠标或手指拖动,改变它们的相互位置。
  2. 也可按 Tab 选中一个圆,用方向键移动,按住 Shift 精细调整。
  3. 松手后,若交叠关系清晰稳定(恰好相切不算一种),新结构会收拢到周边对应的标准图形位置并归档。
  4. 三个圆的身份可以互换——能通过对换 A、B、C 互相变来的结构视为同一种,只记一次。
  5. 未发现的结构默认不显示。集齐 14 种,三圆终章开启。
  6. 想核对全部答案,点下方的「呈现全部解答」——金色高亮是您已发现的,浅色是尚未发现的;再点一次收起,可继续寻找。

三个圆能有多少种交叠方式? 维恩图 · OEIS A250001 · Numberphile

三个圆代表三个集合 A、B、C。拖动它们,程序会实时判断三圆交叠形成了哪一种「拓扑结构」——本质相同的只算一种。

维恩的三个圆 1880

约翰·维恩(John Venn)1880 年用三个圆表示三个集合,把平面划分成 23 = 8 个区域,从此「维恩图」成为逻辑与集合论的通用语言。

拓扑枚举:1, 3, 14, 173, 16951

但若换一个角度发问:三个圆在平面上能摆出多少种本质不同的交叠方式?只数拓扑结构,并要求两圆不许恰好相切、三圆不许共点,则答案是——1 个圆 1 种、2 个圆 3 种、3 个圆 14 种、4 个圆 173 种、5 个圆 16951 种。这一数列已收录于 OEIS,编号 A250001。

比维恩图更讲究

本挑战要枚举的,正是这 14 种三圆交叠结构。它比「画一张维恩图」讲究得多:维恩图只是其中一个特定位置,而这里要把三集合所有可能的交叠形态都找出来——其中不少结构并不具备全部 7 个内部区域,因此并非标准的维恩图。

值得一提的是,Wild 与 Jones 发现:5 个圆时会出现 26 种「按交点关系写得出来、却画不成圆」的排列——组合上成立,几何上未必可实现。希尔伯特第三问题(1900)正是同一种疑问在多面体上的回响。

来源 本工坊创意来自数学视频频道 Numberphile 的一期《How many ways can circles overlap?》,嘉宾为 Neil Sloane(OEIS 创始人)与 Jonathan Wild。数列 1, 3, 14, 173, 16951 见 OEIS A250001(Wild 求得前四项,第五项与 Christopher Jones 合作完成);维恩图见 John Venn, On the Diagrammatic and Mechanical Representation of Propositions and Reasonings, Philosophical Magazine, 1880。