・コーヒーブレイク2                    カルピス氏

 昔々ある所に小さな立方体が27個あったとさ。(全て同じ大きさ)

 これらを接着剤で、くっつけて、3x3x3の大きな立方体を作ろうとしたところ、そこへカラス
が飛んで来て、1個だけ咥えて持ち去ってしまいました。

 残った26個の立方体を全て使って、大きな立方体を作るには?


 DD++さんからのコメントです。(令和3年2月2日付け)

 ルービックキューブに立方体は 27 個あるように見せかけて、実は 26 個という話ですね。
……1個「加えて」というヒッカケじゃないですよね?


 Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和3年2月2日付け)

 問題を改作してみます。

 昔々ある所に小さな立方体が27個あったとさ。(全て同じ大きさ)

 これらを接着剤で、くっつけて、3x3x3の大きな立方体を作ろうとしていました。

 まず部品作りからです。

 小さな立方体を3個、L字型に接着した部品、これを8個つくりました。この時点で接着して
いない小さな立方体は残り3個です。

 そこへカラスが飛んで来て、接着していない小さな立方体を1個だけ咥えて持ち去ってしま
いました、と思ったら、再びカラスは舞いもどってきて、さきほどの小さな立方体を返してくれ
ました。

 接着剤で、くっつけて、3x3x3の大きな立方体を作る作業に戻ることができます。残る作
業はどのようになるでしょうか。

 なお、いったんL字型に接着した部品を解体することはしない約束とします。


※20才くらいの頃に飲み屋さんでマスターがこの詰め物パズルを自作したものがありまし
 て…(サイコロを接着)… 酔客が3x3x3の立方体形状にこれらを積み上げたら「越の寒
 梅」をグラスで一杯サービスしてくれていたのです。なつかしくなって、投稿しました。


 カルピスさんからのコメントです。(令和3年2月2日付け)

 えっ? ルービックキューブって小さな立方体が26個だったのですか?
初めて知りました(@@)/

 考えてみると、ルービックキューブの重心(中心)となる1個分は不動ですね。

  ……1個「加えて」というヒッカケじゃないですよね?

 いえ、いえ、ヒッカケではないです。


 カルピスさんからのコメントです。(令和3年2月3日付け)

 L字8個で、大きな立方体の角一列が欠けた形が作れるので、残りの3個をI字型にに接
着すれば、3x3x3の立方体を作れると思います。

    


 Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和3年2月3日付け)

 本当に仰有る通りなのです。これが酔っ払い客には解けないのですよね、本当に不思議
な光景でした。ジェンガじゃあるまいし、もう、適当に積んでいくのでして。


【追記】 このL字部品問題で、再度、カラスが小さな立方体を1個盗んでいった後に、見かけ
    上は3×3×3の大きな立方体になるように、残った部品を接着できますね。
    (もちろん中空にします)


 カルピスさんからのコメントです。(令和3年2月3日付け)

 正解です。3x3x3の立方体の重心(中心)の部分を空洞にすれば、26個で大きな立方体
ができます。(空洞は1個分に相当)

 「接着剤」がヒントになると思っていました。ただの26個だけでは、上面の真ん中のキュー
ブがストーンと下に落ちてしまうから...。


 DD++さんからのコメントです。(令和3年2月3日付け)

 中央部分はどう回しても露出しないので、不動どうこう以前にまず中央に立方体が存在す
る必要がないのです。


 Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和3年2月3日付け)

 念のために具体的な解を書いておきたく存じます。

 以下では、○は小さな立方体を表します。●は空洞を表します。8個あるL字の部品につい
ては、例えば、

@
@@

などのようにL字部品に番号をつけて表示いたします。

 3×3×3の大きな立方体を組み上げることになりますが、3階建ての建物とみなして各階
ごとに、部品がどのように配置されるかについて図示いたします。

FFG 1階
FGG
○BA

C@@ 2階
C●A
BBA

C@○ 3階
DEE
DDE

※無論、この他にも解はありますけれども、上記の解の場合にはL字部品の製作までは接
 着剤を使ってその後は単に積み上げるだけでいけそうではあります。


 カルピスさんからのコメントです。(令和3年2月3日付け)

 上記、ちょっとした頭の体操になりました。でも、接着されたL字形は1個あれば十分かと
・・・。最上面の真ん中のキューブが空中に浮けば良いのだから、L字1個 または I字1個
があれば・・・。


 Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和3年2月3日付け)

 L字型パーツ作戦を取り止めて、田の字型パーツ作戦に切り替えてみる頭の体操はいか
がでしょうか。田の字型パーツとは、小さな立方体を4個、机の上で田の字の形に接着した
ものです。

 田の字型パーツを6個作成しますと、残りの小さな立方体は3個になります。カラスがやっ
てきて小さな立方体を1個盗んで行きました。この時点で、田の字型パーツは6個のまま、小
さな立方体は2個になります。

 これらを組み立てて、3×3×3の大きな立方体を作りたいのですが(無論、空洞はあります
ね)、どうしたらよいでしょうか。はたして解はあるでしょうか。

 また、その後にカラスがやってきて小さな立方体を1個返してきました。

 この時点で田の字型パーツは6個のまま、小さな立方体は3個になります。

 これらを組み立てて、3×3×3の大きな立方体を作りたいのですが、どうしたらよいでしょ
うか。ただし、3×3×3の大きな立方体の中央には小さな立方体を充填してはならず、田の
字型パーツの一部が位置するものとします。はたして解はあるでしょうか。


 カルピスさんからのコメントです。(令和3年2月4日付け)

 コンウェイキューブというのが有り、名作だそうですね。解は一つだそうです。(今回の場合、
小さなキューブが1個欠けますが)

 コンウェイキューブは「解が一つだけ」ということなので、仰るような解が存在するかしない
かは、田の字6ピースと最小キューブ3ピースで成り立った3x3x3の立方体が。どのような
組み合わせになるかで決まると思います。

 私はまだ頭の中だけで組み立てられていないのであります。。。


 らすかるさんからのコメントです。(令和3年2月5日付け)

 @@○  CDD  CDD
 @@B  C○B  CEE
 AAB  AAB  ○EE

という形なので中心を田にするのは無理ですね。


 カルピスさんからのコメントです。(令和3年2月5日付け)

 流石、らすかるさん、有難うございます。私は頭の中が混乱しておりました。


Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和3年2月5日付け)

 コンウェイ・キューブというものでしたか。ご教示を有り難う御座います。

 田の字パーツが3x3x3の立方体の中心を含んだ位置に配置できないことは、以下のよう
に【も】、示すことが出来ます。

 完成形の3x3x3の立方体の27区画ごとにカラーリングを次のようにします。例によって
階層別に輪切りしてあります。

  三階   二階   一階
  黒白黒
白白白
黒白黒
白白白
白黒白
白白白
黒白黒
白白白
黒白黒

※ちなみにこれは市松模様ではありません。

 この完成形の3x3x3の立方体に配置されている任意の田の字パーツは、かならず配色
が以下のようになります。(回転や鏡像は同一視します。)

■□
□□

 この田の字パーツが6個あることから、これらでカバーする区画としては、その色別にカウ
ントすると次のようになります。

◆田の字パーツ 6個
 白区画:18個
 黒区画:06個

 ここで、最小パーツの色はどのようになっているかについて調べます。それには完成形の
3x3x3の立方体の色ごとの配分カウントから、田の字パーツ分を減じれば手がかりを得ら
れます。

 3x3x3の立方体の色ごとの配分カウントは次のようになります。

◆3x3x3の立方体・・・白区画:18個、黒区画:09個

 これで最小パーツ3個の配色が判明しました。すなわち。

◆最小パーツ3個・・・白区画:00個、黒区画:03個

 結論として、最小パーツは、3個ともに黒色でなくてはならないと判明しました。白い最小
パーツは存在しません。

 ここでいったん話を転じます。出題時に私は以下のように申しました。

 3×3×3の大きな立方体の中央には小さな立方体を充填してはならず田の字型パーツ
の一部が位置するものとします。


 実はこれは不可能です。3×3×3の大きな立方体の中央に田の字パーツの一部を配置
すると、それを適宜回転させれば、以下のような階層ごとの図解に一致させることができま
す。すなわち、当該の田の字パーツは2階層めにのみ存在するかたちにできます。

 田の字パーツを前と同じように、

■□
□□

で表すと、

  三階   二階   一階
  黒白黒
白白白
黒白黒
白白白
白■□
白□□
黒白黒
白白白
黒白黒

となります。ここで、2階にのみ注目すると、まだパーツで埋められていない白い区画が奇数
個(5個)あります。1個の田の字パーツを階をまだがって配置させると、2階では2個の白い
区画が埋まります。もう1個田の字パーツを使えば、さらに2個の白い区画が埋まり、まだ埋
まっていない区画が1個のこります。この残りの1個の区画は田の字パーツでは埋められま
せんし、また、最小パーツでも埋められません。なぜなら全ての最小パーツは黒色だからです。

 以上より、以下は不可能であると判明しました。すなわち、

「3×3×3の大きな立方体の中央には小さな立方体を充填してはならず田の字型パーツの
一部が位置置するものとします。」

は不可能です。同じことですけれども、

「3×3×3の大きな立方体の中央の区画には黒色の最小パーツ1個を充填しなればなりま
せん。」

 最小パーツを●で表記しますと、図解は以下のようになります。

  三階   二階   一階
  黒白黒
白白白
黒白黒
白白白
白●白
白白白
黒白黒
白白白
黒白黒

 ここまでわかれば、残り2個の最小パーツの位置もわかってきます。

 3×3×3の大きな立方体の、6つある面について考えます。1つの面には9個の区画が関
与しています。しかしながら田の字パーツでは偶数個の区画までしかカバーできません。

 ゆえに、どの面にもかならず、1個の黒色の最小パーツが顔を出しているわけです。

 こんなことが可能な最小パーツの配置は、3×3×3の大きな立方体の中心にある1個の
最小パーツと、残り2個の最小パーツとが、大きな立方体の対角線上に配置しているときだ
けです。

  三階   二階   一階
  黒白●
白白白
黒白黒
白白白
白●白
白白白
黒白黒
白白白
●白黒

 なお、まだ配置していない6個の田の字パーツの配置方法はひととおりになります。

 なお、カラーリングにあたり、以下の方法でも、上記と似た議論が可能です。

  三階   二階   一階
  白白白
白黒白
白白白
白黒白
黒白黒
白黒白
白白白
白黒白
白白白

 要は、6面の中央には黒がくる、というものです。

 田の字パーツをどこに配置しようとも、必ず、黒色の区画をカバーすることになります。田
の字パーツは6個ありますから、ひとつの田の字パーツは必ずひとつの黒い区画をカバー
しなければならず、田の字パーツと黒い区画とは1対1対応がつくはずです。すなわち、田の
字パーツが2個以上の黒い区画をカバーしてはなりません。

 ところが、2階中央をカバーするように配置された田の字パーツは黒い区画を2個カバーし
てしまいます。これはまずいわけです。2階中央をカバーする田の字パーツはあってはならな
いこととなります。以上です。


 Dengan kesaktian Indukmu さんからのコメントです。(令和3年2月6日付け)

 田の字パーツが3x3x3の立方体の中心を含んだ位置に配置できないことは、以下のよう
に【も】、示すことが出来ます。(カラーリングをした前のとは別趣向ですので、あえて。)

 3x3x3の立方体に27の区画があるとみなします。各区画に得点を与えます。

  三階   二階   一階
  +2 +0 +2
+0 -2 +0
+2 +0 +2
-1 -1 -1
-1 +3 -1
-1 -1 -1
+2 +0 +2
+0 -2 +0
+2 +0 +2

 全27区画の得点の総計は +7 です。田の字パーツ1個をどこに配置しても、配置された 4
区画の得点の小計は 0 です。(御確認ください)

 故に、3個の最小立方体が配置されたそれぞれの区画の得点の小計は 7 です。

 これは、 +2 +2 +3 の得点をもつ各区画に最小立方体が配置されなければならないことを
意味しています。

 二階の真ん中の区画には、最小立方体を置かざるをえないことが証明されました。


 カルピスさんからのコメントです。(令和3年2月6日付け)

 なるほど〜!数字を当てはめて考える方法は私には到底、考え付きませんでした。



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