离散数学的转角遇到爱:向左走,向右走

原创 Helen 罗博深数学

作者 | Helen

文 2013字 阅读时间约 7分钟

导语

本文作者Helen是CMU数学系大三学生、罗教授的忠实小迷妹。在一节罗教授的离散数学课堂上,“看着罗教授提笔画的那个奇奇怪怪的方阵”,她的思绪在这个方阵里弯弯绕绕,于是这里开始了一个下午的胡思乱想......

很久很久以前,有这样一个世界,这个世界由许许多多的迷宫构成,每个人都想要走到彼岸去。最简单的迷宫可能是这样的一个小方块,总共就只有两条路,怎么走都走得通。左边一条路,右边一条路,条条大路通罗马。

再复杂一点的迷宫,是一个小方阵。我们稍加思索,也能找到有几条通往彼岸的路,就像下图从小A通往小B的迷宫。

如果每一次,我们都只能沿着最短路线走,不能走回头路,也就是只能向左下方和右下方走,一共有几种走法呢?

首先我们看看,小A要走到小B处,不管怎么走,我们都得往左下走三步,往右下走三步。如果想象不够直观,那我们挑两条路来走走看。是不是稍微有一点点感觉了?把蓝色歪歪曲曲的线段落整齐,其实得到的就是橙色线路的轮廓。

接下来我们要引入一个新的概念,叫choose,也就是选择,它是一个基本的排列组合概念,可以用

来表示,用来解决一些很实际的问题,比如,要我从五条不同的路里面选出任意三条,就表示一共有

种不同的选法。

想想看这和我们的问题有什么关系?

小A是个很执着的人,这个世界奇形怪状的迷宫和对岸的小B对他来说真的太可爱了。他看着窗外熙熙攘攘的行人,恨不得马上到达小B的那一边。通往小B的路究竟有多少条?要怎么走才不会迷路?于是他靠着窗户想了又想,就着布满雾气的窗户,一笔一画写出来这么几个透明的字:

右右右左左左

左右右左左右

小A的脑海里,沿着这两行指示,走出来两条路,一条蓝色的,一条橙色的。他想了想,一共要走六步,三步往左,三步往右,只要左左右右排列组合的顺序不一样,我们就能找到不同的路。那这样的话,每六步里面,我们选出三步往右走,剩下的三步自然就是往左走,也就等于选出了一条路。那么,我们知道一共有

条路通往小B 了!其实不光是正方形的迷宫。任何长方形的迷宫都可以这样解决。你能想到吗?

黑板上,罗教授改了几笔,擦掉了几条线,问题一下子变得复杂起来了。

我眼前又浮现出抱着膝盖的一个小A,跟罗教授的粉笔一起,回到了起点。小A知道自己心里缺了点什么的,这个迷宫里缺了一条路。每次小B 早上起来提着水壶给花浇水的时候,都看得到小A 在窗台上写写画画。小B 觉得他很可爱,于是也认认真真地看起了通向小A 奇形怪状的迷宫。

后排的小哥举起手说:我们先找出所有走不了的路,再把它们都去掉不就好了。小B 听到了,我也听到了。现在我们要计算所有经过了ba这条路的路线。要经过ba,必须经过b点,然后紧接着从a点出发。那就分成两部分,一部分看B->b, 一部分看a->A。根据小A的算法,B->b 有

条路,a->A有

条路。我们每次在B->b 选一条,a->A 选一条,那么经过ba的路线一共有 2 x 3 = 6 种不同的路。也就是说,通往小A的路,只有

条。

罗教授看我们思考地很快,大笔一挥,又刷刷刷去掉了一些线路。

兜兜转转地,这两个小傻瓜怎么走也走不到一起。小A的心里一天比一天更荒凉下去了,他们之间的迷宫越来越奇怪了。再按照原来的思路,要涉及到好多不同的点和线,实在太复杂了。

然后罗教授开始在图上标数字,初看起来好像并没有什么特殊含义,仔细读起来,才恍然大悟。我们每走一步,都依赖于前一步的结果,在这幅图里,每一步,都可能有两个方向的来处,那要到达这一点,只可能从这两个来处。所以我们能知道,从起点通往这一点的路线,是所有从起点通往来处的路线的总和。只要我们根据这个原理一步一步标注下去,最后就能找到所有的路线。不管这个迷宫有多么奇形怪状。

当然了,我也不知道这个故事最后发生了什么。如果你愿意相信,像小时候听过的每一个童话故事一样,小A和小B一定都走出了迷宫,在彼此心里永远定居。

还记得小时候看一个笑话,说数学啊,你赶紧长大吧,该学会自己解决自己的问题了。可是二维空间里的小傻瓜啊,他们怎么解决自己的问题呢?是我们在解决这些乱七八糟的问题之后,悄悄地长大了吧。从此以后在各种各样的迷宫里跌跌撞撞,但愿还能像走今天的迷宫一样,化繁为简,找到方向。或许你的迷宫曲曲张张不知道有多少弯绕,或许这个世界迂回蜿蜒不知道有多少沟壑,但愿我们都再也不会迷路了。

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原标题:《离散数学的转角遇到爱:向左走,向右走》