Een beetje wiskunde achter Rubiks kubus (Vector 3)

Page 1

14

EEN BEETJE WISKUNDE ACHTER RUBIKS KUBUS JAN DE BEULE

- J A N @ D E B E U L E . E U - V R I J E U N I V E R S I T E I T B R U S S E L , VA KG R O E P W I S K U N D E , P L E I N L A A N 2 , 1 0 5 0 B R U S S E L

Figuur 1: (Rubiks) kubussen op een rij

1. RUBIKS KUBUS Rubiks kubus, in 1974 ontworpen door de Hongaarse ingenieur-architect Ernő Rubik, is een bron van veel vermaak voor jong en oud. Velen, waaronder de auteur van dit artikel, zijn niet in staat om de puzzel zomaar op te lossen. Toch is de puzzel ook in dat geval een zeer interessant object omwille van de wiskundige achtergrond, die in dit artikel centraal staat. We vertrekken daarvoor van enkele vaak gestelde vragen. (i) Hoeveel mogelijkheden heeft deze puzzel? (ii) Kan men een oplossing 'berekenen' met een computer? zodat je steeds (iii) Wat is een oplossing kan vinden die hoogstens stappen vereist? (iv) Kan men een oplossing berekenen die het minst aantal stappen vereist?

Het antwoord op alle vragen is gekend, althans voor de 2x2x2 en 3x3x3 kubus. Dat betekent echter geenszins dat daarmee alles gezegd is. In dit artikel zullen we ingaan op de achterliggende wiskunde die het antwoord geeft op de gestelde vragen, en de computationele moeilijkheden die daarmee gepaard gaan. Anderzijds zullen we ook illustreren dat iedereen - ook wie de puzzel niet kan oplossen - mits een klein beetje programmeerwerk zelf aan de slag kan gaan en een en ander over de wiskunde achter de kubus te weten kan komen. We zullen beginnen met enkele definities en begrippen uit de groepentheorie. We zullen dan dieper ingaan op de derde en vierde vraag. Het zal blijken dat deze twee vragen in feite de gemakkelijkste zijn vanuit wiskundig standpunt, maar niet vanuit

computationeel standpunt. Hiermee bedoelen we dat we heel snel de limieten van de rekenkracht van een (en zelfs meerdere computers) kunnen bereiken. Het antwoord bepalen op de eerste twee vragen zal computationeel gemakkelijker zijn, op voorwaarde dat we wiskundig enkele zaken uitwerken. Dit is precies de rode draad in alle computationele wiskunde: hoe geavanceerder de achterliggende wiskunde, hoe efficiënter het algoritme. We illustreren dit met de kubus, en niet alleen met de 3x3x3 kubus, maar ook met de kleinere 2x2x2 variant, de zogemaande 'Pocket cube'. Naast de kleinere variant, bestaan ook de 4x4x4 en 5x5x5 Rubiks kubus, allemaal te zien op figuur 1. Ernő Rubik vroeg trouwens alleen een patent aan in


Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.