旋轉對稱 / 228casino.com

正方形四角塗兩黑兩白有幾種?旋轉相同時只剩兩類

正方形四角選兩個塗黑原有六種標記結果;若旋轉後視為同一圖案,會合併成相鄰與對角兩類。逐步分清組合與對稱等價。

先把四個角當成有名稱的位置

把正方形四角暫時標成左上、右上、右下與左下,從四個位置選兩個塗黑,其餘兩個自然塗白。未考慮旋轉前,選法是四選二,共六種。

這六種是有標記結果:左上與右上為黑,和右上與右下為黑,會被列作兩個不同選法。此時紙張朝向固定,每個角都有獨立身份。

常見錯誤是看到雙色各兩個,便直接答二乘二或四。正確起點要問的是選哪些位置,而不是只數顏色有幾種。

旋轉後相同會合併成等價類

若題目說把紙轉九十度、百八十度或二百七十度後相同便算同一圖案,六個有標記結果不再全部獨立,需要按旋轉關係分組。

兩個黑角相鄰時共有四個朝向,但旋轉正方形可把任何一個朝向帶到另一個,所以四個合併成一類。這一類看起來像黑色佔據一條邊。

兩個黑角相對時只有兩個朝向,即兩條對角線。旋轉九十度可互相轉換,因此也合併成一類。最終答案是相鄰與對角兩類。

為何不能簡單把六除以四

正方形有四種旋轉姿態,但不是每個圖案都一定產生四個不同朝向。對角圖案旋轉百八十度已回到自身,所以它的不同朝向只有兩個。

直接用六除以四會得到一點五,這個非整數正好提示各圖案的對稱程度不同。計數時應逐類觀察軌道大小,不能假設每組都同樣大。

更進階可用 Burnside 引理:計算每個旋轉固定多少圖案再取平均。不過本題只需列出相鄰與相對兩種關係,已能完整且容易核對。

若連鏡射也視為相同,本題仍是兩類;但其他配色問題可能會再合併。旋轉相同與翻面相同是兩個不同條件,題目必須寫清楚。

雙數圖案與隨機機率要分開

兩黑兩白的平衡外觀可呼應成雙與對稱文化,但視覺整齊不會令某類圖案在所有抽樣方式下更常出現。機率還取決於如何生成圖案。

若六個有標記選法均勻,四個相鄰結果合併後的機率是六分之四,對角類是六分之二。兩個等價類並不因此各佔一半。

若先以一半機會選相鄰類、再在類內隨機選朝向,兩類才各佔一半。相同圖案集合可以因生成程序不同而有不同分布。

用剪紙實驗驗證分類

畫出六張有標記小卡,每張塗一種兩黑兩白配置。允許轉動但不翻面,把能互相重疊的卡放成一疊,最後應得到一疊四張與一疊兩張。

這個實驗也說明『兩類』不是『兩個結果』。類別數描述形狀,六個有標記結果才是原本均勻抽樣時的分母,兩者不可混用。

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