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问题7584

提问者:常清

 状态:老师专题讲解 提问时间:2001-3-22 20:24:00 价值50
标题:趣味数学2

正文

  本地报纸常有MENSA的题目。MENSA是个智商超出平均值两个均方差的人的团体。这样的人约占总人口2.2%,平均每四十五个人里有一个,算是很聪明的人了。这些题目大部分有图,转贴不易;有时也有文字题,但是我们的英语词汇量往往不够,做不出来。比如,下面这一道,有没有愿意试试的(答案在本文末)? 图一: FIYJS     GNLAH     DKCXP     TRWEU     BVOMQ   二十五个不同的字母排成正方形。从任何一个字母出发,可以横行、竖行或斜行到下一个字母,如果字母不重复的话,能够组成的最长的英语单词是什么?   这是一个文字题。但是,在不少科学研究领域里,特别是做计算机模拟的时候,我们经常使用类似的系统。假设每一个字母是放在一个5×5的正方晶格的格点上。一个格点的上下左右四个格点,相距为1,称为最近邻(NN,Nearest Neighbor);斜向的四个格点,距离是√2,称为次近邻(NNN,Next Nearest Neighbor)。如果在计算机上解这个题,一个等价的叙述可以是这样的:某人从任一格点出发,每一步随机地走向NN或是NNN,一个格点只能经过一次,当他在某一格点终止时,他走过的路径可以标记为一串字母,在所有可能的字母串中,哪一个构成了最长的英文单词?   这是一个所谓的“随机游动”(RM,Random Walk)的例子。一个更有趣、更一般的问题是:把二十五个不同的字母任意放在5×5正方晶格的格点上,有多少种配置,它们的所有符合上述规定的RM都不是英文单词?   为什么说这个推广了的问题有趣呢?英文单词可以看作是客观外界的规则(比如有机大分子的结构);放在晶格上的字母可以看作无序的原子,但就是这样任意的摆放,突然从无序造成了有序的自组织现象——出现了与外界规则契合的单词。   复杂的现象就可以这样从很简单的现象里产生出来。或许生命就是通过类似的过程从无机物里产生的。比如,关于生命在地球的起源,有一种假设是最初的有机分子来自外太空。观察到有机分子,是六十年代四大天文发现之一(其它三个是发现脉冲星、类星体和微波背景辐射)。但是至今为止的太空探索都未发现别的星球有生命。我们所处的是四维时空,但是现在“超弦理论”认为物质可以处在更高维的时空。这样,对外太空的有机分子,就可以有进一步的设想:它们原来处在高维时空里,高维空间的复杂性使得原子易于结合成复杂的结构。但在高维时空中,相对而言,这仍然是有序程度很低的“简单”结构。只有当投射到四维时空后,它们才成了可以缓慢地进化到生命的有机分子。   怎么试验这种想法?上面的文字题就是个有启发的例子。在一维空间(直线)里,每个字母只有两个邻居,随意的字母排列很难组成单词。但在平面上,较复杂的空间引入了较多的邻居,在随意的字母配置里就可以很容易地发现一条“随机游走”的路径,把它拉直后放到一维空间,它就成了英语单词——高维空间里似乎无序的配置给出了在低维空间里有序的排列。   问题是有单词的配置的比例是多少?如果占配置总数的比例很低,那么复杂现象就很难自发地产生。比如图一显然是出题人有心摆弄的结果。如果比例很高,找个不识字的小孩随手一撒,都可以产生英文单词。   这个计算比例的问题,现在的计算机大概还解决不了,至少用穷举法解决不了。可能的配置总数是26的价乘,Stirling公式(当n足够大)   给出的近似值是4乘上10的26次方。面对这样的计算量,电脑只能干瞪眼。   严格地讲,由于正方晶格的对称性,我们只要计算八分之一的配置就行了。图二是把图一沿顺时针方向旋转了90度;图三是对图一作了个镜面反射,以左上角至右下角的斜线为对称轴。它们(及从它们的旋转而产生的图)包含与图一同样的单词。 图二: BTDGF   图三: FGDTB     VRKNI       INKRV     OWCLY       YLCWO     MEXAJ       JAXEM     QUPHS       SHPUQ   八分之一的配置数是5乘上10的25次方,这仍然是一个大到无法处理的数目。而且如何构造这八分之一的配置,本身就不是一个容易的问题。   去年的由布鲁斯·威利(Bruce Willis)主演的电影《Mercury Rising》中,美国安全局(NSA)把发往驻外机构的指令藏在密密麻麻的字母里,他们认为这是任何计算机都无法破译的。但是一个患自闭症的孩子却有本事把指令读出来。于是,围绕着这个孩子的生与死,正派与反派明争暗斗厮杀了一场。   不过,这样的天才大概只有电影里才有。实际情况是:你能把图一中的单词找出来,也就不太简单了。   【答案】 PALINDROME

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