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关于我们

材质:塑料
功能:开发益力魔方
产地:广东省
品牌:益智玩具
产品类别:四阶魔方
货号:12100320
规格:5.5厘米
是否多功能:
适用年龄:0-3岁,3-7岁,7-10岁
包装方式:OPP袋
是否支持一件代发:支持
类别:智力魔方



























产品规格: 5.5 * 5.5 * 5.5 厘米

装  箱 量: 360

外箱尺码: 51 * 29 * 45 厘米

体    积: 0.067 立方米

毛   重: 19.5 千克

净重:18.5千克

魔方来源

第一章 魔方和洛书

魔方通过转动能变化出无穷无尽的花样,然而转动是宇宙间最基本的模式。
更令人惊奇的是,魔方的概念和思想起源于中国5000年前的洛书。

§1.1魔方的起源

《易传·系辞》有“河出图,洛出书,圣人则之”之说。传说距今七八千年前的伏羲时代,一龙马从黄河跃出,其身刻有“一六居下,二七居上,三八居左,四九居右”的数字,此为河图。今河南洛阳孟津老城西北之负图寺(亦名伏羲庙),据说为当年“龙马负图”之处。
大禹治水时,一神龟从洛河爬出,背上的数字排列为“戴九履一,左三右七,二四为肩,六八为足,五居中央”,这就是洛书,如图1.1所示。今河南洛宁洛河岸边西长水村旁,有“洛出书处”的古碑,据说为当年“神龟贡书”之处。河图洛书奇妙地组合排列了9个基本数字,涵盖了自然界周期性和对称性的特征,反映出东方哲学思想的精髓。
2001年8月8日新华社报道,在安徽凌家滩出土的一块玉片和一只玉龟,经测定制作于五千三百年前的新石器时代。二者紧紧叠压在一起,形象是龟托着玉。玉龟分背甲和腹甲,由孔和暗槽相连。玉片呈长方形,正面刻有两个同心圆,小圆内刻有方心八角星纹;大圆对着长方形的四角各刻有一圭形纹饰;两圆之间被平分为八等份,每等份雕刻一圭形纹饰。这与文献记载中的“河图洛书”相吻合。有关“龟背图”的传说较早记载于春秋时期的《尚书》,说的是远古的一天,一只大龟驮着洛书出现在中国北方的洛河。河图洛书后来成为《周易》最主要的来源之一。
图1.1 洛书

1.1.1 洛书走入数学
1977年,在我国安徽省阜阳地区出土了一件汉代文物,称为“太乙九宫占盘”,如图1.2所示。其实盘上的图就是洛书,据此,洛书可简化为图1.3的形式,称为九宫图。由于古人给洛书赋予了浓厚的神话色彩,从而引起了后人对九宫图的极大兴趣,作了大量的研究,其结果形成了中国古代数学的重要内容—幻方。最早把九宫图引入数学的,是汉代(公元2世纪)的徐岳。徐岳在他的《数术记遗》中讲到14种算法,其中之一是九宫算:“九宫算,五行参数,犹如循环”。到了北周(公元557年),甄鸾在《数术记遗》对九宫图算作了一段注释:“九宫者,二四为肩,六八为足,左三右七,戴九履一,五居中央”。这段话和前面关于洛书的传说是一致的。从此以后,洛书在数学上就被称作九宫图了。奇怪的是,自汉代徐岳把洛书引入到数学后,除北周甄鸾的注解外,再无人问津。这
图1.2 太乙九宫占盘
图1.3 九宫图
种局面一直持续到宋代(公元13世纪),沉默了700多年。这种沉默绝不是偶然的,与这一时期洛书的失传有关。
根据中国的易学研究史,洛书在宋代之前,曾失传了2000多年。直到宋代,华山道士陈抟(?—989年)才将密藏的洛书(还有河图等)公诸于世。显然,陈抟做了一件对中华民族非常有意义的事,但却遭到了所谓疑古派(认为洛书系陈抟伪造)的猛烈攻击。疑古派的攻击不但没有扼杀洛书,相反,洛书的捍卫者们却发展成为强大的图书派,这就引发了一场持续了900年的大论战。直到1977年安徽出土了汉代的太乙九宫占盘,论战的胜负才由历史的铁证所裁决。图书派的胜利,确立了洛书河图为中国文化之源的理论。
宋代洛书的复出,重新鼓舞了人们对九宫图的研究。杨辉的《续古摘奇算法》(1275年)是这一时期九宫图研究的辉煌成果。杨辉把图1.4的九宫图称为纵横图,现在人们则称其为幻方或魔方(Magic square),是一种数学上通用的叫法。幻方必须满足各方向数字和都相等的条件。这个条件对于图1.4的三阶幻方就是:
横线:4+9+2=3+5+7=8+1+6=15;
纵线:4+3+8=9+5+1=2+7+6=15;
对角线:4+5+6=2+5+8=15。
图1.4 三阶幻方
杨辉对幻方进行了相当深入的研究,用他的换位方法,很快就可以把三阶幻方编制出来。杨辉编制三阶幻方的方法是:九子斜排,上下对易,左右相更(即对角二数各对调),四维挺出(即四边中央的数向外移,变斜排为正排),如图1.5所示。在《续古摘奇算法》一书中,杨辉还编制出4至10阶幻
图1.5 杨辉方法
方。杨辉之后,明清两代都有关于幻方的著作。例如明代程大位的《算法统宗》(1593年),清代方中通的《数度衍》(1661年)。值得一提的是,清代保其寿在他的《碧奈山房集》中创造出了立体幻方。有正四面体,正六面体,正八面体,正十二面体等。如图1.6是一个正六面体的立体幻方。保其寿立体幻方的特点是:“8子作24子用,每面4子和各18”。
图1.6 立体幻方
由上可见,幻方或魔方的概念起源于中国古代洛书,而且人们对幻方的研究一直在持续着。应该指出的是,洛书是中国5000年前的产物,被视为中华文明之谜。1988年,韩永贤似乎解开这个千古之谜。他认为洛书是方位图,也就是上古游牧时代刻在石头上的罗盘(见1989年1月25日《人民日报》)。由此可见,古代的洛书是转动着的,就像今天使用指南针需要转动一样。
1.1.2 幻方走出数学
今天,数学上的幻方也转动起来了,这就是我们现在玩的幻立方体,也就是大家习惯称呼的魔方。由于它是匈牙利人鲁毕克(Rubik)发明的,因此,人们也称其为鲁毕克魔方。从中国古代洛书到现代鲁毕克魔方的演变和发展,有以下一些事实根据。
(1)九宫图
起源于洛书的九宫图,数学上称其为幻方。九宫图有 个宫,所以也称为三阶幻方,如图1.7(a)。图1.7(b)是把图1.7(a)中的各宫减去1得到的。显然,图1.7(b)仍然满足幻方的定义,即
横线:3+8+1=2+4+6=7+5=12
纵线:3+2+7=8+4=1+6+5=12
对角线:1+4+7=3+4+5=12
所以,图1.7(b)仍是一个幻方。
需要指出的是,图1.7(b)是一个实物化的幻方。这种实物化的幻方是中国古代民间出现的一种游戏棋,叫做重排九宫,有时也称为8子棋。
图1.7 九宫图和重排九宫
(2)重排九宫
重排九宫大约出现在中国元代(公元13世纪)之前,是在九宫图基础上发展起来的一种智力游戏。在九宫棋盘上,放置8个棋子,通过移动棋子(相当于“华容道”的移子法,其实华容道是重排九宫的一种翻版),使8个棋子排列成另外一种图案。例如,通过移动棋子,从图1.8(a)变到图1.8 (b)。如果从图1.8 (a)变到图1.8(c),这就是一种魔方的玩法,图1.8 (c)称为8子棋魔方。8子棋的棋子数为8,不满足 规则;但是棋盘上却有 个宫,我们称8子棋是一种准三阶一维魔方。
图1.8 重排九宫游戏
重排九宫的发明,真正标志着魔方走出了数学。重排九宫的花样变化是通过棋子的移动来实现的,而现代鲁毕克魔方是通过转动来变换花样的。从数学的角度看,重排九宫和现代魔方的根本差别在于维数和力学构造。据《独粒钻石和华容道》记载,在元代(公元13世纪)重排九宫传到西方,也就是说,中国的魔方是13世纪走向世界的。外国人在重排九宫的基础上,发明了15子棋。
(3)15子棋
如图1.9 (a)是宋代杨辉编制的四阶幻方。图1.9 (b)是由图1.9 (a)各宫减去1得到的,满足幻方的定义,即
横线:1+15+12+2=10+4+7+9=6+8+11+5=13+3+14=30
纵线:1+10+6+13=15+4+8+3=12+7+11=2+9+5+14=30
对角线:1+4+11+14=2+7+8+13=30
图1.9 四阶幻方和15子棋
由于图1.9 (b)不满足 规则,因此,我们称其为准四阶幻方或15子幻方。如果把图1.9 (b)的15个数字制作成15个棋子,这就是15子棋了。15子棋实质上是8子棋的一种发展。
15子棋是19世纪70年代由美国人萨木埃·劳德(Sam Loyd)发明的。15子棋也称为15个数的游戏,曾经流行于全世界,并在1880年达到狂热的顶点,不过不久就被数学所征服。15子棋的玩法和重排九宫一样,也是通过移动,把搅乱了的编号棋子复位,使之回到它们原来按顺序编号的适当位置上。
从下面的描述中,我们可以看出15子棋对世界的影响之大,并且使得人们在后来发明新的游戏(或玩具)时,自觉或不自觉地要以15子棋为基本参考点。
德国数学家阿连斯写到:“大约半个世纪以前—19世纪70年代末,美国出现了15子棋的游戏,这种游戏很快就流传开了,无数棋迷被它弄得神魂颠倒……”
“大洋这一边的欧洲,此时也出现了同样的情况。在巴黎,这种游戏在露天里,在林荫道上都找到了安身之所……”
15子棋的发明者劳德描述道:“在70年代初,我是怎样使整个世界都为一盒活动棋子大伤脑筋的。一个小盒子里,放有15颗棋子,按照正规顺序排列,如图1.10(a)所示。如果只有14和15两个棋子互换了位置,如图1.10 (b),要解的问题是:逐一移动这些棋子,把14和15两棋子的位置更正过来,使所有棋子都排列成正常的位置。当时拿出了1000美元奖金,准备奖给能够正确解答此题的第一个人。尽管人们都孜孜不倦地努力求解,但谁也没有得到这份奖励”(数学家阿连
图1.10 15子棋游戏
斯证明,图1.10 (b)是一种不可解的排列)。人们议论着各种趣闻,什么商人为此忘记开张营业啦,一些高官显宦通宵达旦地停留在路灯底下寻找答案啦,船员由于摆弄这个游戏竟然把船搁浅到沙滩上,火车司机把列车开过了站等等。著名作家马克吐温在他的小说《美国的逐鹿者》里,也有过类似的描述。
由于15子棋有这么大的魔力,因此,人们也把15子棋叫做魔块。重排九宫和15子棋都可以叫做魔方,前者是准三阶一维魔方,后者是准四阶一维魔方。
1.1.3 从一维到三维
15子棋问题被德国数学家阿连斯彻底解决后,便意味着一维魔方的阶数没有再增加的必要了。因此,魔方的发展方向只能是维数的增加,也就是说,二维或三维魔方的出现已经是不可避免的事。而20世纪70年代匈牙利的鲁毕克和日本的石毛(Terutoshi Ishige)几乎同时独立地发展出三维转动魔方就充分说明了这一点。
在三维转动魔方出现之前,中国清代学者保其寿(公元17世纪)就已经提出了立体幻方的概念,并且在数学上编制出了这种立体幻方,如图1.11 (a)。图1.11 (b)是用数字块表示的立体幻方,这种数学上的魔方是二阶三维的,不能转动,所以是组合魔方。这种思想后来被用于“杂色立方体游戏”。
图1.11 立体幻方
1879年,波兰数学家斯特因豪斯(H. Steinhaus)在他的《数学万花镜》中记载了一种立方体各面涂颜色的游戏。1893年,英国数学家马克马洪(P. A. MacMahon)进行过类似的研究。1948年杂色立方体块游戏被作为商品上市销售。杂色立方体块游戏是这样的:立方体可以涂上六种颜色,使得它的每个面都有一种不同的颜色。这样的涂法可以有30种不同的花样。如果随便从这30个立方体中拿出一个,一定能够找出另外的8个,这8个立方体可以拼成这样一个大立方体,它的每个面都由同样颜色的小立方体拼成,而且整个大立方体各面颜色的排法,正好和最先所拿出的小立方体一样。
由此可见,杂色立方体游戏实质上是一个组合魔方。从组合魔方到可转动魔方,这里只有一个需要解决的问题—力学结构问题。
在转动魔方出现之前,相继有一些非常类似的玩具问世。1960年,美国人威廉(William Gustafson)发明了一个立方体拼装玩具,于1963年获得美国专利。1970年,英国人弗兰克(Frank Fox)发明了一个 魔球,于1974年获得英国专利。同年,美国人拉里(Larry Nichols)发明了一个 立方体,于1972年获得美国专利。
1.1.4 转动魔方的发明
1974年春天,鲁毕克(Erno Rubik)获得制造转动魔方的灵感,同年夏天,鲁毕克做出了灵感中的转动魔方的雏形,1975年提交了转动魔方的专利申请。
鲁毕克是布达佩斯工艺美术学院的教师,讲授平面图与结构、内部工程设计图、家俱平面图与形象图、外形研究与画法几何学。鲁毕克生于1944年。父亲是一位机械工程师、滑翔飞机设计师,是一位颇有名气的专家。母亲是一位作家、诗人、艺术家。鲁毕克起初学习雕刻艺术,但后来改学建筑学。鲁毕克在教学和与学生的接触中常常遇到同样的一个问题:学生习惯于对平面问题进行思维,但是对空间问题上的复杂联系,理解起来却困难重重。为了培养学生对立体的想象力,鲁毕克起初设计了一个极其简单的“魔方”,作为自己给学生上课的教具。这个简单魔方的构成为3×3,不过只有两层,尽管这样,总比没有好。这种简易魔方也可以朝任何方向转动,通过转动,人们能解各种各样的“多米诺”骨牌题。简易魔方虽然总是黑、白两种颜色交替排列,而且只有两个面,但是,在锻炼人们对空间进行思维的能力方面,它也能起到一定作用。后来,鲁毕克经过精心研究,把简易的“多米诺魔方”以两层改为三层,就成了现在这种魔方,他申请获得专利权,时间是1975年1月30日。就在鲁毕克完成魔方不到一年,日本东京附近的一位自学成才的工程师石毛(Terutoshi Ishige),也完全独立地完成了和鲁毕克差不多一样的设计,他申报日本专利的时间是1976年。这种不谋而合的偶然事件说明了魔方出现的必然性。
我国不仅是研究幻方最早的国家,也是应用幻方最早的国家。我国古代已经把幻方的思想应用于宫室设计和建筑。国外幻方的出现是公元2世纪的事,公元130年希腊士麦拿人塞翁(Theon)才在他的一本著作中第一次提到幻方,比中国的洛书要迟几千年。至于对幻方的研究,也是中国最早。在欧洲,直到1514年,德国著名画家丢勒( )才在他的一幅版画上绘制出了完整的四阶幻方。这比杨辉迟了200多年,而且远不如杨辉研究的深入。
由此可见,魔方的概念及其思想起源于中国5000年前的洛书。而且经历了九宫图、重排九宫、15子棋、立体幻方、组合魔方等发展过程。所以,我们可以说,现代鲁毕克魔方就是转动着的洛书。

 

 

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