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三十六個(gè)軍官問題與歐拉方陣

2020-09-10 13:51
關(guān)鍵詞:兵種拉丁歐拉

相傳18世紀(jì)時(shí),普魯士國王腓特烈大帝要舉行一次盛大的閱兵典禮.當(dāng)時(shí)腓特烈的軍隊(duì)有6個(gè)兵種,每個(gè)兵種又有6個(gè)軍階.腓特烈大帝命令他的閱兵司令:在每一個(gè)兵種、每一個(gè)軍階中各挑選一名軍官組成一個(gè)6行6列的36人方陣,使每一行、每一列中都有各兵種、各軍階的代表,既不準(zhǔn)重復(fù),也不能遺漏.這件事情看起來很好辦,不料命令傳達(dá)下去之后,根本無法執(zhí)行.閱兵司令接二連三地吹哨子,喊口令,排來排去,始終不能達(dá)到國王的要求.事后,國王對這件事情始終耿耿于懷,于是他就去請教當(dāng)時(shí)歐洲一流的大數(shù)學(xué)家歐拉,希望歐拉能幫忙找到一個(gè)解決方案。

歐拉先從最簡單問題人手,排出一個(gè)當(dāng)n=3(即有3個(gè)兵種、3個(gè)級別時(shí)的方陣,用A、B、C表示不同兵種,用a、b、c表示不同級別的軍官,如圖1所示.這個(gè)方陣的每行每列中A、B、c各有一個(gè),a、b、c也各有—個(gè),并且沒有遺漏和重復(fù)

然后,歐拉又排出了n=4、n=5的方陣,它們均滿足條件且都不重復(fù),所以這樣的方陣就被稱為歐拉方陣。

可是對于n=6(即6個(gè)兵種,6個(gè)不同級別的軍官)的方陣,歐拉絞盡腦汁也沒有排出來.因?yàn)?是能被2整除而不能被4整除的數(shù),歐拉稱它們?yōu)榘肱紨?shù).于是歐拉猜想,由半偶數(shù)組成的方陣不存在.1782年歐拉在談?wù)撨@個(gè)問題時(shí)說:“我已經(jīng)試驗(yàn)研究了很多次,我確信不可能作出兩個(gè)六階的,并且對于10、14,……以及奇數(shù)2倍的階數(shù)都是不可能的.”歐拉認(rèn)為:4n+2階的歐拉方陣是不存在的,這個(gè)結(jié)論被后人稱之為“歐拉方陣猜想”。

歐拉的關(guān)注引起了全世界數(shù)學(xué)家對這個(gè)難題的重視,為了研究方便,他們把上面的一個(gè)方陣拆分成兩個(gè)方陣來表示,這種由字母構(gòu)成的方陣稱為拉丁方陣(圖2).若左右兩個(gè)拉丁方陣能疊合成一個(gè)歐拉方陣(如圖1),則稱這兩個(gè)拉丁方陣是互為正交的.若能證明n是半偶數(shù)時(shí),不存在正交的拉丁方陣,就相當(dāng)于證明歐拉的猜想是正確的。

由于構(gòu)造正交拉丁方陣非常困難,數(shù)學(xué)家們對歐拉方陣猜想的研究進(jìn)展也很慢.直到1910年,法國數(shù)學(xué)家加斯頓·塔里在他的兄弟赫伯特.塔里的幫助下,列出了全部的六階拉丁方陣,驗(yàn)證了它們當(dāng)中任意兩個(gè)都是不正交的,從而證實(shí)了n=6時(shí)歐拉猜想是正確的.但塔里兄弟沒有從理論上加以證明,這是一個(gè)很大的缺陷,而且隨著階數(shù)增大,列出全部拉丁方陣的方法也不可取,即使列出全部拉丁方陣,要驗(yàn)證每兩個(gè)是否正交就更加困難。

1959年4月,印度數(shù)學(xué)家玻色和斯里克漢德構(gòu)造了兩個(gè)22階正交拉丁方陣,從而否定了“歐拉方陣猜想”.不久后,他們又證明:除n=2、6、14、26外,n階歐拉方陣都是存在的.接著,美國數(shù)學(xué)家帕克又構(gòu)造出了14階與26階的歐拉方陣,至此,歐拉方陣猜想只對n=2、6成立,其余都是錯(cuò)的.這個(gè)否定的結(jié)果是人們在180年的努力中未曾想到的。

類似這樣的方陣,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用,利用它能以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲得較好的結(jié)果,還能節(jié)省原料、改進(jìn)配方等。

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