Задача о ходе коня

Анимация прохождения коня через все клетки поля шахматной доски 5 x 5

Задача о ходе коня — задача о нахождении маршрута шахматного коня, проходящего через все поля доски по одному разу.

Эта задача известна по крайней мере с XVIII века. Леонард Эйлер посвятил ей большую работу «Решение одного любопытного вопроса, который, кажется, не подчиняется никакому исследованию» (датируется 26 апреля 1757 года). В письме к Гольдбаху он сообщал:

…Воспоминание о предложенной когда-то мне задаче послужило для меня недавно поводом к некоторым тонким изысканиям, в которых обыкновенный анализ, как кажется, не имеет никакого применения… Я нашел, наконец, ясный способ находить сколько угодно решений (число их, однако, не бесконечно), не делая проб.

Формулировка задачи

Граф, соответствующий шахматной доске 8×8. Указанные степени вершин показывают количество различных ходов коня из соответствующих полей доски.

В терминах теории графов каждый маршрут коня, проходящий через все поля шахматной доски, соответствует гамильтонову пути (или циклу, если маршрут замкнутый) в графе, вершинами которого являются поля доски, и два поля соединены ребром, если с одного можно попасть на другое за один ход коня.

Количество всех замкнутых маршрутов коня (гамильтоновых циклов) без учёта направления обхода равно 13 267 364 410 532 ^[1] (количество замкнутых маршрутов с учётом направления в два раза больше). В то же время задача подсчёта всех возможных незамкнутых маршрутов значительно сложнее и не решена до сих пор. Известно,^[2] что количество незамкнутых маршрутов не превышает числа сочетаний

$\binom{168}{63}\approx 1.2\cdot 10^{47}$.

Студентами Псковского политехнического института в 2011 году подсчитано количество обходов поля 7 на 7, оно составило 167 883 607 248. И показано, что количество обходов на поле 8 на 8 не должно превысить $10^{19}$.

Методы решения

Метод Эйлера

Метод Эйлера состоит в том, что сначала конь двигается по произвольному маршруту, пока не исчерпает все возможные ходы. Затем оставшиеся непройденными клетки добавляются в сделанный маршрут, после специальной перестановки его элементов.

Рассмотрим в качестве примера следующий маршрут:

55	58	29	40	27	44	19	22
60	39	56	43	30	21	26	45
57	54	59	28	41	18	23	20
38	51	42	31	8	25	46	17
53	32	37	a	47	16	9	24
50	3	52	33	36	7	12	15
1	34	5	48	b	14	c	10
4	49	2	35	6	11	d	13

Сначала попытаемся из незамкнутого маршрута сделать замкнутый. Для этого рассмотрим, куда можно пойти с полей 1 и 60. С поля 1 можно пойти на поля 2, 32 и 52, а с 60 - на 29, 51 и 59. В этих двух наборах есть поля, различающиеся на единицу, а именно - 51 и 52. Благодаря этому можно сделать маршрут замкнутым, обратив его часть. Для этого перенумеруем поля с 52 по 60 в обратном порядке. После этого у нас получается замкнутый маршрут:

57	54	29	40	27	44	19	22
52	39	56	43	30	21	26	45
55	58	53	28	41	18	23	20
38	51	42	31	8	25	46	17
59	32	37	a	47	16	9	24
50	3	60	33	36	7	12	15
1	34	5	48	b	14	c	10
4	49	2	35	6	11	d	13

Теперь можно включить в маршрут некоторые из непройденных клеток. Так как наш маршрут замкнутый, то его можно разорвать в произвольном месте и к одному из концов прицепить подходящую цепочку из непройденных клеток. Например, если разорвать цепочку в клетке 51 (перенумеровав клетки и сделав её последней, а 52 - первой), то сможем удлинить нашу цепочку на клетки a, b и d, которые станут клетками 61, 62 и 63.

Метод Вандермонда

Вандермонд попытался свести задачу к арифметической. Для этого он обозначал маршрут коня по доске в виде последовательности дробей $\frac{x}{y}$, где x и y — координаты поля на доске. Очевидно, что в последовательности дробей, соответствующей ходам коня, разность числителей двух соседних дробей может быть только 1 или 2, при том, что разность их знаменателей составляет соответственно 2 или 1. Кроме того, числитель и знаменатель не могут быть меньше 1 и больше 8.

Его метод нахождения подходящей последовательности аналогичен методу Эйлера, но позволяет находить маршруты коня только для досок чётной размерности.

Правило Варнсдорфа

Правило Варнсдорфа, являющееся разновидностью жадного алгоритма для отыскания маршрута коня, формулируется так:

При обходе доски конь следует на то поле, с которого можно пойти на минимальное число ещё не пройденных полей. Если таких полей несколько, то можно пойти на любое из них.

Долгое время считалось, что правило Варнсдорфа работает безукоризненно. Позднее с помощью компьютеров была установлена неточность во второй его части: если существует несколько подходящих полей, то не все они равноценны, и произвольный выбор поля может завести коня в тупик. На практике однако вероятность попадания в тупик невелика даже при вольном пользовании второй частью правила Варнсдорфа.^[2]

Примечательные маршруты

Маршрут Яниша

50	11	24	63	14	37	26	35
23	62	51	12	25	34	15	38
10	49	64	21	40	13	36	27
61	22	9	52	33	28	39	16
48	7	60	1	20	41	54	29
59	4	45	8	53	32	17	42
6	47	2	57	44	19	30	55
3	58	5	46	31	56	43	18

Маршрут Яниша.

Примечателен маршрут коня, найденный К. Я. Янишем: он образует полумагический квадрат, а при повороте доски на 180° первая половина маршрута (номера с 1 до 32) переходит во вторую (номера с 33 по 64).

Маршрут, найденный шахматным автоматом

Маршрут, найденный шахматным автоматом.

Шахматный автомат нашёл замкнутый маршрут коня, изображенный на диаграмме справа.

Мнемоническое стихотворение

Обойти конём все шахматные клетки и ни разу не побывать дважды на одной и той же, к тому же сделать это «вслепую», начав или закончив на любой клетке по желанию «зрителя», можно благодаря стихотворению:^[3]

Алеет Осень Ценными Дарами,
Еще Один Животворящий День.
Хлеба Червонят Желтыми Шнурами,
Хрустальных Вод Философична Сень.

Два Вечера Цеплявшиеся Шишки
Артист Писал, Бездонна Синева.
Дорожный Шлак Целуют Червячишки,
Еще Покрыта Флоксами Трава.

Дымится Чай Эффектней Шоколада,
Фарфоры Чашек Достаются Трем,
Блондинке Девушка Дана Отрада
Форшмак Делить Холодным Острием.

Жена, Толкая Хилую Подругу,
Желает Сняться Этим Выходным,
Ценя Сама Арктическую Вьюгу,
Бросает Шар Арбуза Четверым.

Цикад Пяток, Едва Чревовещая,
Дарует Дрему Фикусам Окна.
Хотя Довольны Жаждавшие Чая,
Хозяин Шумно Жертвует Вина.

Фокстротами Шесть Девушек Пленились,
Эстрадных Танцев Фантастичней Па,
Едва Ступающий Цыпленок Вылез,
А Селезень Блуждающий Пропал.

Алеет Тело Бронзовой Осины,
Царит Теней Ажурная Длина.
Беззвучней, Чем Автомобиля Шины,
Болоту Ветер Дарит Семена.

Фонарь Восьмью Химерами Сияет,
Жук Прилетает, Хлопая, Туда.
Желанна Осень, Если Довершает
Ценнейший Отдых Бодрого Труда.

Первые буквы задают координаты ходов:

Алеет Осень = А1; Ценными Дарами = С2; и т. д.

В каждую строфу вставлена подсказка, помогающая не перепутать последовательность строф: ещё ОДИН, ДВА вечера, достаются ТРЁМ и т.д.

Обобщение на произвольные доски

Для неквадратных досок обход конём существует только при выполнении следующих условий: если одна сторона доски равна 3, то другая должна быть либо 4, либо не меньше 7; если же обе стороны больше 3, то обход коня возможен на всех досках, кроме 4×4. В частности, для квадратных досок решение существует при размерах 5×5 и более.

Замкнутые маршруты

Открытые маршруты

См. также

• Проблема семи мостов Кёнигсберга
• Задача коммивояжёра

Примечания

1. ↑ Brendan McKay (1997). «Knight's Tours on an 8x8 Chessboard». Technical Report TR-CS-97-03 (Department of Computer Science, Australian National University).
2. ↑ ^{1 2} Е. Гик Глава 2. Конь-хамелеон // Шахматы и математика. — М.: Наука, 1983. — (Библиотечка «Квант»).
3. ↑ В. Панов Тайна одного трюка // Наука и Жизнь. — 1969. — № 5.

Ссылки

• Е. И. Игнатьев Задача 91. О ходе шахматного коня // В царстве смекалки. Книга 1. — С.-Петербург, 1908. — 275 с.
• Rediscovery of the Knight's Tour 1725-1825  (англ.)
• Исходники реализаций обхода шахматной доски конем: В. Сапункова и И. Ахметова, ИТМО.
• А. Шалыто, Н. Туккель, Н. Шамгунов Задача о ходе коня // Мир ПК. — 2003. — № 1.