צילום: Manju Thilagavathi, Wikimedia Commons (CC0)
לפניכם לוח שחמט רגיל: שמונה על שמונה, שישים וארבע משבצות, חצי בהירות וחצי כהות, לסירוגין.
לצד הלוח מונחת ערימה של אבני דומינו. כל אבן היא מלבן שמכסה בדיוק שתי משבצות סמוכות - זו לצד זו לרוחב, או זו מעל זו לאורך. אסור להניח אבן באלכסון, אסור שאבנים יחפפו, ואסור שאבן תחרוג מגבולות הלוח.
קל לראות שאפשר לכסות לוח שלם: 64 משבצות חלקי 2 שוות 32 אבנים, ויש עשרות דרכים לעשות זאת.
עכשיו לוקחים מספריים וגוזרים מהלוח שתי משבצות פינתיות שנמצאות זו מול זו באלכסון - הפינה השמאלית העליונה והפינה הימנית התחתונה. נשארו 62 משבצות.
62 חלקי 2 שוות 31, ולכן מתבקש לנסות לכסות את מה שנשאר בעזרת 31 אבני דומינו בדיוק.
השאלה: האם אפשר? ואם לא - איך מוכיחים שזה בלתי אפשרי, בלי לעבור על כל הסידורים?
אל תנסו לסדר אבנים על הלוח. אחרי חמישה ניסיונות תתחילו להרגיש שמשהו לא מסתדר, אבל תחושה איננה הוכחה. במקום זה, הסתכלו על הלוח ושאלו: מה בדיוק מכסה כל אבן דומינו בודדת?
שימו לב לצבעים. לוח שחמט צבוע לסירוגין, ולכן כל אבן דומינו, בכל מקום ובכל כיוון, מכסה תמיד משבצת בהירה אחת ומשבצת כהה אחת - אין לה שום אפשרות אחרת.
ועכשיו הסתכלו שוב על שתי הפינות שגזרתם. באיזה צבע הן?
התשובה: זה בלתי אפשרי. שום סידור של 31 אבני דומינו לא יכסה את הלוח החתוך.
ההוכחה קצרה ויפה, והיא נשענת כולה על הצבעים:
שלב א: בלוח שחמט מלא יש 32 משבצות בהירות ו-32 כהות.
שלב ב: שתי פינות שנמצאות זו מול זו באלכסון הן תמיד מאותו צבע. זה לא מקרה: משבצת בשורה i ובעמודה j היא בהירה אם i+j זוגי, וכהה אחרת. בשתי הפינות הנגדיות i+j משנה את הזוגיות פעמיים - ולכן חוזר לעצמו.
נניח ששתיהן כהות. אחרי הגזירה נשארו על הלוח 32 משבצות בהירות ורק 30 כהות.
שלב ג: כל אבן דומינו מכסה משבצת אחת מכל צבע. לכן 31 אבנים יכסו בהכרח 31 משבצות בהירות ו-31 כהות.
שלב ד: אבל אין לנו 31 כהות - יש רק 30. סתירה. לכן הכיסוי אינו קיים.
למה ההוכחה הזו כל כך חשובה?
מספר הסידורים האפשריים של אבני דומינו על לוח כזה הוא עצום, ולעבור עליהם אחד-אחד הוא מפעל חסר סיכוי בלי מחשב. הצביעה עוקפת את כל זה במכה אחת: היא מוצאת אינווריאנט - תכונה שנשמרת בכל מהלך חוקי - ומראה שהיעד פשוט לא מקיים אותה.
זהו אחד הכלים החזקים במתמטיקה הבדידה, והוא מופיע שוב ושוב: בבעיות ריצוף, בפאזלים כמו קוביה הונגרית, ובשאלות על משחקים. השאלה "מה נשמר כאן תמיד?" חזקה בדרך כלל בהרבה מהשאלה "איך אפשר לסדר את זה?".
הרחבה למי שרוצה עוד: אם במקום שתי פינות נגדיות תסירו שתי משבצות מצבעים שונים - כל שתיים, בכל מקום על הלוח - הכיסוי ב-31 אבנים תמיד אפשרי. זו תוצאה יפה שהוכיח ראלף גומורי, והיא נכונה ללא יוצא מן הכלל.
תגובות
- לא נמצאו תגובות





Post comment as a guest