四格骨牌
四格骨牌(Tetromino),又稱四連塊或四連方,是一種多格骨牌,每塊以四個全等的正方形連成[1][2],反射或旋轉視作同一種共有五種,可以英文字母代表。
四格骨牌
自由四格骨牌
多格骨牌是將正方形邊和邊相連組成的形狀。自由骨牌(free polyomino)是指考慮全等關係的多格骨牌,若二個自由骨牌彼此全等,視為是同一種自由骨牌。因此二個自由骨牌若在平移、旋轉、反射後相等,就算是同一種自由骨牌。
自由四格骨牌是由四個方形組成的自由骨牌,一共有五種。
單面四格骨牌
單面四格骨牌(one-sided tetrominoes)允許平移及旋轉,但不能反射(不能翻面,所以稱為單面骨牌)。在遊戲俄羅斯方塊中出現的都是單面四格骨牌。單面四格骨牌共有七種,其中有三種有反射對稱性,反射後的圖案和原來相同,不會因為只考慮單面四格骨牌而使數量加倍,這些骨牌是:
- I(也稱為直線骨牌,Straight Polyomino"[4]):四個方塊以直線排列。
- O(也稱為方形骨牌,Square Polyomino[5]):四個方塊排成2×2的方形。
- T(也稱為T形骨牌,T-Polyomino[6]):三個方塊排成一列,另一個方塊在一列骨牌的中間下方。
剩下的四種骨牌有不對稱性,四種骨牌分為二類,每類中的兩種骨牌互為另一種的反射。
L型骨牌,L-Polyominos:[7]
- J型:三個方塊排成一列,另一個方塊在一列骨牌的右側下方。
- L型:三個方塊排成一列,另一個方塊在一列骨牌的左側下方。
斜骨牌,Skew Polyominos:[8]
- S型:二個水平排列的骨牌,上面再放二個水平排列的骨牌,往右斜一格。
- Z型:二個水平排列的骨牌,上面再放二個水平排列的骨牌,往左斜一格。
若是自由四格骨牌,J型骨牌等於L型骨牌,S型骨牌等於Z型骨牌,但若在二維空間內,不允許翻面,不可能將J型骨牌變成L型骨牌,或是讓S型骨牌變成Z型骨牌。
固定四格骨牌
固定四格骨牌(fixed tetramino)只允許平移,不允許旋轉及反射。固定四格骨牌有二種I型、四種J型、四種L型、一種O型、二種S型、四種T型及二種Z型骨牌,共有19種固定四格骨牌。
用四格骨牌填滿長方形
雖然四格骨牌共有5種,加起來有20個方格,不過無法用5個四格骨牌填滿一個長方形,此情形不同於五格骨牌,較類似六格骨牌,證明時要用到肢解西洋棋盤問題的概念:
20個方格的長方形,若將方格輪流標示深色及淺色,最後深色方格及淺色方格會各有10個,但一組的自由四格骨牌(共五種)會有11個某種顏色的方格,剩下另一個種顏色的方格有9個(T形骨牌會有一種顏色的方格有三個,另一種顏色有三個,其他骨牌的兩種顏色的方格各有二個),因此無法填滿。若考慮一組的單面四格骨牌(共七種)也無法完全的放在28個方格的長方形中。
此外,任何奇數組的自由四格骨牌或單面四格骨牌都無法組成長方形。但若二組自由四格骨牌可以填滿4×10及5×8的長方形。
- 5×8長方形
- 4×10長方形
以類似方式,二組單面四格骨牌可以填滿一個長方形,方法還不止一種。因此任何偶數組的自由四格骨牌或單面四格骨牌都無法填滿長方形[9]。
以下是由二組自由四格骨牌,高度為1時所形成的四立方體,填滿2×4×5及2×2×10的長方體。
- 2×4×5 長方體
第一層 : 第二層 Z Z T t I : l T T T i L Z Z t I : l l l t i L z z t I : o o z z i L L O O I : o o O O i
- 2×2×10 長方體
第一層 : 第二層 L L L z z Z Z T O O : o o z z Z Z T T T l L I I I I t t t O O : o o i i i i t l l l
四立方體
五種四格骨牌都可以成為四立方體,只要將高度延伸一單位即可。J型和L型的四立方體是相同的,S型和Z型的四立方體也是相同的,因為只要翻面就可以由一種四立方體變成另一種。
此外,還有三種四立方體沒有對應的四格骨牌,這些是由V型的三立方體上面再加一個立方體而得。
- 右旋型:單位立方體放在順時針的一側,在三維中有不對應性(下圖中用D表示)。
- 左旋型:單位立方體放在逆時針的一側,在三維中有不對應性(下圖中用S表示)。
- 分支型:單位立方體放在彎曲點上,在三維中沒有不對應性(下圖中用B表示)。
因此有八個四立方體。
多立方體一般只允許平移及旋轉,像右旋型及左旋型雖是鏡射對稱,但和平面的不同,無法用翻面的方式讓右旋型變成左旋型。
用四立方體填滿長方體
在三維的情形,這八個四立方體可以填滿4×4×2或8×2×2的長方體,以下的D、S、B及Z分別表示右旋型、左旋型、分支型及平面的Z型(S型)。
4×4×2 長方體
第一層 : 第二層 S T T T : S Z Z B S S T B : Z Z B B O O L D : L L L D O O D D : I I I I
8×2×2 長方體
第一層 : 第二層 D Z Z L O T T T : D L L L O B S S D D Z Z O B T S : I I I I O B B S
若立體不對應的D型及S型視為一樣的,則七個四立方體可以填滿7×2×2的長方體,其中的C表示D型或S型。
第一層 : 第二層 L L L Z Z B B : L C O O Z Z B C I I I I T B : C C O O T T T
參考資料
- Golomb, Solomon W. 2nd. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. 1994. ISBN 0-691-02444-8.
- Redelmeier, D. Hugh. . Discrete Mathematics. 1981, 36: 191–203. doi:10.1016/0012-365X(81)90237-5.
- "About Tetris" (页面存档备份,存于), Tetris.com. Retrieved 2014-04-19.
- Weisstein, Eric W. "Straight Polyomino. (页面存档备份,存于)" From MathWorld--A Wolfram Web Resource.
- Weisstein, Eric W. "Polyomino." From MathWorld--A Wolfram Web Resource.
- Weisstein, Eric W. "T-Polyomino. (页面存档备份,存于)" From MathWorld--A Wolfram Web Resource.
- Weisstein, Eric W. "L-Polyomino. (页面存档备份,存于)" From MathWorld--A Wolfram Web Resource.
- Weisstein, Eric W. "Skew Polyomino. (页面存档备份,存于)" From MathWorld--A Wolfram Web Resource.
- (PDF). [28 May 2015]. (原始内容存档 (PDF)于2016-02-20).