魔方教室
很多孩子喜欢玩魔方,用各种方法学过魔方,都是基于现有的公式和方法。王老师一直建议孩子不仅要学习魔方,还要知道它背后的原理和思想。俗话说,要知其所以然。今天,我们就来看看魔方六面化归所蕴含的数学原理。
魔方结构
魔方的组成三阶魔方是由333-1=26个小立方体组成的立方体,有6个面(缩小后每个面颜色相同,共6种颜色),每个面有9个小面,共54个小面。26个小方块包括6个中心块(只有一个可见表面)、12个边缘块(两个可见表面)和8个角块(三个可见表面)。
魔方的还原魔方的每个面都可以随意绕轴旋转。随便旋转几个面,魔方的颜色就会变得斑驳。改变这种状态,使每个面上的所有刻面都具有相同的颜色,这就是所谓的魔方还原。缩小过程其实就是根据每个中心块的颜色,对边缘块和角块进行“上色”和“对齐”。
魔方中的数学
魔方中的排列和组合
根据排列组合中的乘法和加法原理,有8个三阶魔方!3812!212个322状态。除了轴固定的6个中心块,还剩下20个小块,8个角块放在8个角位,都是8排!每个角块的三种颜色因为方向不同有三种方法,所以有8种! 38排列;同样,总共有12根肋骨!212种排列。
但在魔方还原过程中,当其他小块保持不动时,一个角块的方位、一个角块的方位、一对角块或一对对角块的位置都不能独立改变,所以需要去掉322。因此,几乎不可能靠运气把一个斑驳的魔方恢复到同样的颜色。
魔方的对称性
对称性是一个几何图形的如下性质:在一个变换群G的作用下映射到自身,称为对称群。如果变换群G是一条直线,那么几何图形是关于直线G的对称图形;如果变换群G是一个点,那么几何图形就是以点G为中心的对称图形。
若以点G为中心的对称图形在平面内绕G旋转360/N(N(N为整数)然后与自身重合,则具有N阶对称性,G称为其对称中心。如图A、B、C分别是以O为中心的二阶、四阶、三阶对称。这种对称性在正方体中得到了充分的展现,但围绕平面中一点的旋转被围绕空间中一条直线的旋转所取代。
三阶立方体魔方具有二阶、三阶、四阶对称轴,是除球体以外的其他物体无法比拟的[1]。魔方的还原过程在于旋转时魔方色块的位置互换。对于魔方的每一层,每一次旋转都是围绕该层中心块的变换,这样点与点之间的距离就保持不变。
三个立方体组
魔方旋转是指将魔方某一面上的所有方块顺时针(面向正面)旋转90。相应的,如果逆时针旋转,就叫反向运动。为了记录混乱和恢复的过程,习惯上使用大卫辛马斯特尔发明的符号来书写。英文的第一个字母Up(上)、Down(下)、Front(前)、Back(后)、Left(左)、Right(右)分别代表魔方的上、下、前、后、左、右的旋转;用小写字母U、D、F、B、L、R来表示每个面和对应的中心块;Xy用来表示立方体位于X平面Y位置的小面,比如uf表示位于U(上)平面F(前)位置的小面;Xyz用于表示角块位于X平面yz位置的刻面,如ufr表示位于U(上)平面fr(右前)位置的刻面。
云娥与云娥同在,{ fn华文楷体3ch 804000 }什么哎哎哎哎,魏冄20 云娥与云娥同在,贺盛瑞娜你是说.u=(ulb UBR surf uff)(bul rub for luf)(buru fu Lu)(bru rff flu lbu)d=(db dlf dr)(bld lfd frd rbd)(BDR ldb fdf rdf)f=(fu fr fdf lfd)(uff rff dff luf)b=(bul bld BDR bru
l%20bl)(ulb%20flu%20dlf%20bld)%20R=(rfu%20rub%20rbd%20rdf)(ru%20rb%20rd%20rf)(urf%20bru%20drb%20frd)(ur%20br%20dr%20fr)(ubr%20bdr%20dfr%20fur)%20
设 G= U, D, F, B, L, R 是魔方所有转动生成的集合,可以 证明该集合以合成作为运算构成一个群,称为魔方群。它是上 述一系列小面的置换作为生成元的一个循环群。G 中的元素代表了所有置换的情形,魔方变换的所有状态 都能够找到与之相应的元素,魔方从还原状态经过一系列变化 再次还原,实现了一次循环,实际也是 G 中的元素经过周期性 的操作能够实现的,从中可以看到魔方还原与循环群的共性。
当初厄尔诺·鲁比克教授发明魔方,就是将其作为帮助学生增强空间思维能力的教学工具。
经过观察、分析,我们不仅可 以找到魔方中蕴涵的数学知识,也看到了魔方中的教学因素:
通过魔方的外观展示和结构剖析帮助学生建立立体模型的概 念,增强空间观念
通过魔方还原有助于学生深刻感受置换、循环,理解群论的相关概念
从外观一个简单的立体图形,到还原 过程中的各类变换 有助于学生逻辑思维能力的学习和提升
魔方用自己的方式在讲述着数学,实践着%20数学
王老师经过几年的课程教学,有一套完整的魔方课程体系,既包括零基础要学习的魔方课程,又有提速的课程,又是一对一的学习,可以针对孩子的特点有针对性的上课,还可以长期学习,为孩子培养一个终身受益的兴趣爱好。
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