道路パズル(2)                               戻る

 当HPがいつもお世話になっているHN「GAI」さんからの出題です。(平成21年9月15日)

 さいころが9個(3×3)入る箱があり、中央にはさいころがなく、周りに8個のさいころが 1
の目を下にして配置されている。

                    

 さいころを空き地に転がすことで、全てのさいころの目が 1 が出現して終了するようにし
たい。そのためには何手必要だろうか?

(一見不可能に感じられますが、実は可能な手順が構成できます。1ヶ月は楽しめます。貴
 方の挑戦を待ちます。)































(答) この1ヶ月は楽しめるかも...という問題に、らすかるさんは果敢に挑戦され、出題
   後、わずか3時間弱で解かれたようだ。(平成21年9月15日)...スゴイですね!

  らすかるさんからのコメント: 1ヶ月は楽しめませんでしたが(笑)、なかなか面白い問
                    題でした。私が見つけた手順は、150手ですが、まず間違
                    いなく、最小手数ではないと思います。でも、とても簡単な
                    手順で、覚えやすいです。最小手数は全然わかりません
                    が、とても20手以下とは思えませんのでコンピュータで全
                    数探索を行って調べるのも無理ですね。

 これに対して、出題者のGAIさんによれば、最少手数は36手ではないかとのこと。
                                      (平成21年10月3日付け)

 平成21年10月4日付けで、らすかるさんがプログラムを作って調べたところ、36手が最
少手数で、解は、次のようになるとのことである。(ただし、対称形はすべて削除)

中心空き他全部裏→中心空き他全部表 : 36手、1通り

 ↓←↑→↓→↑←↑→↓←↑←↓↓→↑→↓←↑←↓→↑→↓←←↑→→↑←↓

 また、上記の解は「終了時に真ん中のマスが空き」という条件で調べているが、最終形を
「中心のマスが空き」に限定しない場合は次の34手が最短とのこと。
(ただし、対称形はすべて削除)

中心空き他全部裏→空き位置問わず全部表 : 34手、3通り

 ↓←↑↑→↓←↓→↑←↓→↑→↑←←↓→↓→↑←↑←↓↓→↑←↑→→

 ↓←↑↑→↓←↓→↑→↑←↓←↓→→↑←↑←↓→↑←↓↓→↑←↑→→

 ↓←↑↑→↓→↑←↓←↓→↑←↓→→↑←↑←↓→↑←↓↓→↑←↑→→

 らすかるさんによれば、個人的には、最終形は「中心のマスが空き」に限定した方がきれ
いだと思うとのことである。(平成21年10月4日付け)

 また、GAIさんより、この問題の別バージョンが提示された。(平成21年10月4日付け)

  さいころの「1」の目をすべて手前側に向けてからスタートして、最後には上面がすべて
 「1」の目に揃えるには何手必要か?


 これに対しても、らすかるさんは直ぐ解決された。(平成21年10月4日付け)

 新しいプログラムを作り、最短手順を全通り調べたとのこと。
(ただし、対称形はすべて削除)

中心空き他全部手前向き→中心空き他全部表 : 36手、10通り

 ←↑→→↓←←↓→↑↑→↓↓←↑→↓←↑←↓→↑←↑→↓→↑←↓→↓←↑

 ←↑→↓←↓→↑→↓←↑←↓→↑↑←↓→→↓←←↑↑→↓←↑→↓→↑←↓

 ←↓→↑←↑→→↓↓←↑→↑←←↓↓→↑←↑→↓←↓→→↑↑←↓←↑→↓

 ←↓→↑←↑→↓←↓→↑←↓→↑→↓←↑→↑←↓←↑→↓←↑→↓←↑→↓

 ←↓→↑←↑→↓←↓→↑←↓→↑→↓←↑→↑←↓←↑→↓→↑←↓→↑←↓

 ←↓→↑←↓→↑←↑→↓→↑←←↓→→↓←←↑→→↑←↓←↑→↓→↑←↓

 ←↓→↑←↓→↑←↑→↓→↑←←↓→→↓←↑→↑←↓↓←↑↑→↓→↑←↓

 ←↓→↑←↓→↑←↑→↓→↑←←↓→→↑←↓→↓←←↑→→↑←↓←↑→↓

 ←↓→↑←↓→↑←↑→↓→↑←←↓→→↑←↓→↓←↑→↑←↓↓←↑↑→↓

 ↑←↓→↑←↓↓→↑←↓→↑←↓→↑→↓←↑→↓←↑←↓→→↑↑←←↓→

中心空き他全部前向き→空き位置問わず全部表 : 27手、1通り

 ←↓→↑←↑→↓←↓→↑←↓→↑→↓←↑→↑←↓←↑→

(注意) 「対称形はすべて削除」において、左右対称、上下対称、回転対称の他に、「全部
    裏」を「全部表」にする場合は、“前後対称”(手順を逆順にして同じになるもの)も除
    いている。

 最終形の空きマス位置を中心に限定すると両方とも最短36手で、空きマス位置を限定し
ない場合は全部前向きの方が少ない手数でできる。

 GAIさんは、「最初さいころを同じ向きにセットしておけば、36手ですべて上面がどんな数
字でも揃えることが可能なんですね。平面ルービックキューブと命名しましょう。」と提案され
た。(平成21年10月4日付け)


 らすかるさんからの続報です。(平成21年10月11日付け)

 最初の状態が、  「中心空き他全部裏」 、 「中心空き他全部手前向き」  のどちら
であっても、「中心空き他全部表」(以下、この状態を「基本形」と呼ぶことにする。)までの
最短手数は、36手であった。こういう結果になると、

  「もしかして、どんなパターンでも36手以内?

なんて考えが浮かんで調べたくなり、しばらくこの問題を研究していました。

 そこで、9×9のマス目のうち空きの可能性が9通りで、そのうちの1通りに対して、8個の
さいころの目の出方が68通りあるので、全パターン数は、9×68=15116544通りとなる。

 このうち、36手以内で基本形まで到達できるパターン数を調べたところ、14029322通り
であった。(即ち、全体の92.8%は36手以内で基本形に到達できる!)

 こうなると、今度は、

  「どんなパターンでも、n 手以内で基本形に到達できる

を満たす n の最小値を調べたくなって、その結果は、49手であった。
(49手の全パターンを調べるのに、50時間かかりました。)

 n 手以内で基本形に到達できるパターンの数は、以下の通り。

手数 パターン数 手数 パターン数 手数 パターン数 手数 パターン数 手数 パターン数
1 10 1033 20 164175 30 7194780 40 15018059
5 11 1665 21 254759 31 8537092 41 15064503
13 12 2881 22 421317 32 10155559 42 15096825
21 13 4649 23 638929 33 11300883 43 15107481
37 14 8113 24 1022533 34 12538055 44 15113862
69 15 13073 25 1488625 35 13294367 45 15115426
133 16 22555 26 2255836 36 14029322 46 15116284
213 17 35851 27 3094560 37 14415486 47 15116488
361 18 61335 28 4354768 38 14748581 48 15116532
585 19 97079 29 5563540 39 14899521 49 15116544

 この結果を見ると、48手以内で基本形に到達できないパターン、つまり基本形から最も
遠いパターンが12個あるわけで、それがどんな形か知りたくなる。
(これの調査にまた25時間かかりました。)

 これは、対称形を同一視すると以下の2通りであった。(矢印は表の向き)

 

  この状態から回転と反転で
 8個できる。

 この状態から回転で4個できる。

 これら2個のパターンは、基本形にするのに最短で49手かかる。

(参考) 全パターン数 9×68=15116544通りで対称形を同一視すると、1892979通
    りになる。これはプログラムと手計算で確認しましたが、手計算は結構面倒でした。

     また、目のかわりに6面に色を塗り、前後左右の端や裏も見えるようにして各面の
    色を揃えるパズルにするとかなり難しくなって楽しめそうですが、“転がす”ように動
    く構造は難しいですね。

 これに対して、GAI さんは、100円ショップで12個入りの一辺3cmの立方体の木片を買
ってきて、半分赤色、半分青色に着色し、転がす台座も手作りしてひたすらこれで転がして
この問題を考えられたそうである。

 2つの初期条件から基本形ができたので大満足していましたが、この奥に更にこのよう
な背景が隠されていたのに驚いています。このようにさらに突っ込んで解析されているらす
かる氏の発想の柔軟さに敬服しますと、GAI さん。(私も同感です!)

 また、GAI さんは続けて...

 第3者に勝手にさいころをセットさせ、たちどころに上面に同じ目を揃えることができたら
ちょっとした芸になりますね。正に、これはルービックキューブのさいころ版ですね。しかし、
これが出来るようになるには、いろんなパターンからの手順を覚えておかなければならず
ルービックキューブよりも難しいかも。

と仰っている。

 また、らすかるさんはさらにプログラムを改良されて、高速化をはかり、

  「指定の初期状態から基本形に到達する最短手数と手順例を求める

新しいプログラムでは、(らすかるさんのPCで)最大7秒ほどで解が求まったそうである。

 また、それを少し手直しして上記のパターン数の表を出力するプログラムも作り、7秒で同
じ表が得られたとのこと。

(上記の表は作るのに100時間かかっているので、5万倍速くなったそうである。)

(コメント) 100時間という数字に圧倒されました!この話題に触れる機会を頂いた GAI さ
      んとらすかるさんに感謝します。