奇偶校验和不可能的排列(巧解数学竞赛题)

百科漫谈课程 2024-05-19 20:42:49

本文讨论的主题与我的往期文章有关,链接放在下面:

https://m.toutiao.com/is/i2aGvKsS/ - 兰福德立方体和十六字令 - 今日头条

奇偶校验(Parity Check)是一种校验代码传输正确性的方法。本文则是它的引申义,指通过对奇偶性的讨论证明某种可能性不存在。

举个例子。

开场故事:难铺的瓷砖

布朗先生的院子里铺有40块四方瓷砖。这些瓷砖已经破损老化,他想予以更新。

他为修整院子选购新的瓷砖。可惜,目前商店只供应长方形瓷砖,每块大小等于原先的两块。

店主:布朗先生,您要几块?布朗先生:唔,我要更换40块方瓷砖,所以我估计需要20块。

布朗先生试着用刚买的新瓷砖铺院子,结果弄得烦闷不堪。不论他怎么努力,总是无法铺好。

贝特西:出了什么问题,爸爸?

布朗先生:这些该死的瓷砖,真叫人恼火。最后总剩下两个方格没法铺上瓷砖。

布朗先生的女儿画了一张院子的平面图,并涂上颜色,看上去好似一张棋盘。然后她沉思了几分钟。

贝特西:啊哈!我看出症结所在了。请设想每块长方形瓷砖必定覆盖一个红格和一个白格,问题就清楚了。这里面有何奥妙,你理解贝特西的意思吗?

共有19个白格和21个红格,所以铺上19块瓷砖后,总要剩下2个红格没有铺,而一块长方形瓷砖是无法盖住2个红格的。唯一的办法是把最后一块长方形瓷砖一断为二。

奇偶校验

布朗先生的女儿利用所谓"奇偶校验"解答了铺瓷砖问题。如果两个数都是奇数或都是偶数,则称其具有相同的奇偶性,如果一个数是奇数,另一个是偶数,则称其具有相反的奇偶性。在组合几何中,经常会遇到类似的情况。

在这个问题中,同色的两个格子具有相同的奇偶性,异色的两个格子具有相反的奇偶性。长方形瓷砖显然只能覆盖具有相反奇偶性的一对方格。布朗小姐首先说明,把19块长方形瓷砖在院内铺上后,只有在剩下的两个方格具有相反的奇偶性时,才能把最后一块长方形瓷砖铺上。由于剩下的两个方格具有相同的奇偶性,因此无法铺上最后一块长方形瓷砖。所以用20块长方形瓷砖来铺完院子是行不通的。

数学中许多著名的不可能性的证明都建立在奇偶校验上。也许你很熟悉欧几里得的著名证明:2的平方根不可能是一个有理数。证明是这样进行的,首先假设此平方根可以表示成一个既约的有理分数,则分子和分母不可能都是偶数,否则它就不是一个既约分数。分子、分母只可能都是奇数或者一个是奇数,另一个是偶数。欧几里得证明接着论证此分数不可能属于上述两种情况,换句话说,分子和分母不可能具有相同的奇偶性或相反的奇偶性。而任何有理分数是两者必居其一,因而反证了2的平方根不可能是一个有理数。

以上内容摘自美国科普大师马丁·加德纳的著作《啊哈!灵机一动》。

数学竞赛难题:排不成的队列

全国首届中学生冬令营于1986年1月下旬在天津举行。为时两个上午(每上午四个半小时)的数学竞赛是这届冬令营的重要活动。通过这次竞赛,要选拔20名左右成绩优秀的学生参加集训,经过三个月的训练之后,再选出6名学生参加这一年7月在波兰举行的第二十七届国际数学竞赛。(突然想到了电视剧《天才基本法》)

冬令营数学竞赛共有六个题目。其中的第五题和第六题,这两个题目难倒了不少高中学生。他们没有找到窍门,思考方法不对路。若是掌握了诀窍,不多的几句话也就证出来了。

我们先介绍第五题。这个题目只涉及奇偶性的讨论。题目是这样的:

能否把1,1,2,2,3,3,…,1986,1986这些数排成一行,使得两个1之间夹着一个数,两个2之间夹着两个数,………,两个1986之间夹着一千九百八十六个数?

请证明你的结论。

"证明你的结论"这一句话包含着两层意思:若不可能,就应当讲出十分确切的理由;若是可能,就应当具体列举一个符合要求的排法。

把数减少一些,理解一下什么是符合要求的排法。

对于两个数1,1而言,不存在符合要求的排法。因为这时除两个1之外,没有其他的数,因此两个1之间不可能再夹着一个数。

再看四个数1,1,2,2.先排两个2,中间空两个格子:

2□□2

准备放两个其他的数。其他的数只剩两个1了,所以两个空格中必须都填上1,可是这时两个1是连着排的,中间没有夹一个数,也不符合要求。所以,在这种情形,满足要求的排法也不存在。

接着看六个数1,1,2,2,3,3.这时,满足要求的排法是存在的,例如

312132

你看,两个1之间夹着一个数,两个2之间夹着两个数,两个3之间正好夹着三个数。

再看1,1,2,2,3,3,4,4这八个数。这时,符合要求的排法是41312432

再看5个对子和6个对子的情况。

5个对子即1,1,2,2,3,3,4,4,5,5这十个数。

6个对子即1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6这十二个数。

5对和6对这两种情况都排不成。而7对和8对又能够排得成。

看起来。这个问题还很复杂。有的情况之下排得成,有的情况下又排不成。

此时此刻,产生了一个猜想:n个对子(2n个数)能否排成是一个周期问题,判定法是:n被4除,如果余数是1或者2,那么排不成:如果余数是3或者0(整除)就能够排成。

可以想到,对于我们的题目,排成排不成,一定与1986这个数的某种性质有关系。

因为1986÷4=496......2,

即496×4+2=1986,所以我们大胆猜想,肯定排不成。

即使盲猜,也会猜测排不成。因为在我们的题目中,共有2x1986=3972个数,实在太多了一点。这就使人能猜测到,"不能排成"的结论可能性最大。假如答案是"可以排成",那么要把这3972个数排成符合要求的一行,不用说没有那么大的纸张,就是把四个半小时全花上去也远远不够。

当然,上面这一段话不能作为"不能排成"的理由。确切的理由来自于对奇偶性的讨论。

设想我们在一横行上画好3972个格子,从左到右按顺序给这些格子编上号码,写在格子的下方,如同下图画出的那样:

□□□□□□......□□□□

1 2 3 4 5 6 ......♥♠♣♦

(四种扑克花色代表格子序号3969~3972)

号码为奇数的格子叫做"奇号格",号码为偶数的格子叫"偶号格"。很显然,有1986个奇号格,当然也有1986个偶号格。

假如满足要求的排法存在。现在,集中注意力于那1986个奇号格。

如果奇数 i 放在某一个奇号格内,由于另一个 i 与前者之间夹着 i 个(也就是奇数个)格子,所以另一个 i 所放的格子也是奇号格。这表明,一切奇号格中必有偶数个,记为2S,是被奇数所占据。

如果偶数 j 放在某一个奇号格内,由于另一个 j 与前者之间夹着 j 个(也就是偶数个)格子,所以后者所占的格子是偶号格。反过来,若某个偶数 j 已占偶号格,那么另一 j 必然占据奇号格。这表明:2,4,6,8,…,1984,1986这993个偶数中的每一个,有一次出现于奇数格,也有一次出现于偶数格。注意,1986个奇号格中,放着993个偶数,余下的放着2S个奇数,这样,我们有等式

993+2S=1986,

由此得出

2S=993,

这个等式是不能成立的,因为它的左边是偶数,而右边却是奇数。

这个矛盾说明了满足要求的排法根本不存在。

科学尚未普及,媒体还需努力。感谢阅读,再见。

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