Головоломка «пятнашки» (ее также называют игрой в «15» и «загадочным квадратом») начинается с 15 подвижных квадратиков, пронумерованных числами от 1 до 15 и расставленных в форме квадрата с одним пустым квадратиком в правом нижнем углу. Квадратики расставлены в порядке возрастания, за исключением номеров 14 и 15. Задача играющего – поменять местами квадратики 14 и 15, сохранив положение остальных квадратиков неизменным. Делать это нужно сдвиганием любого из соседних квадратиков на пустое место, причем повторять эту операцию можно сколько угодно.

По мере того как вы сдвигаете все больше и больше квадратиков, номера перепутываются. Но если вы будете действовать аккуратно, вы сможете вновь их распутать. Легко предположить, что при достаточной сообразительности можно получить любое, абсолютно произвольное расположение квадратиков.

Лойд с радостью предложил такой щедрый по тем временам приз, поскольку был уверен, что платить не придется. В игре существует 16! потенциально возможных перестановок (15 нумерованных квадратиков плюс один пустой). Вопрос в следующем: какие из этих вариантов можно получить при помощи серии разрешенных ходов? В 1879 г. Уильям Джонсон и Уильям Стори доказали, что ответ состоит в том, что получить можно ровно половину вариантов; причем (так мы и знали, не правда ли?) вариант, который нужен для получения приза, относится к другой половине. «Пятнашка» нерешаема. Но люди в большинстве своем этого не знали.

Для доказательства невозможности решения нужно раскрасить квадратики под шахматную доску, как на правом рисунке. Сдвиг любого квадратика, по существу, меняет его местами с пустым квадратиком, и всякий раз при этом меняется цвет, связанный с пустым квадратиком. Поскольку в результате пустой квадратик должен вернуться на свое первоначальное место, число шагов должно быть четным. Вообще, любая расстановка может быть получена путем серии обменов, но некоторые комбинации требуют четного числа обменов, а некоторые – нечетного.

Существует множество способов получить любую заданную расстановку, но они либо все четные, либо все нечетные. Желаемый результат может быть получен при помощи всего лишь одной замены (нужно поменять местами 14 и 15), но единица – число нечетное, так что получить такую расстановку четным числом замен невозможно.

Это условие оказывается единственным препятствием: разрешенные ходы позволяют получить ровным счетом половину из 16! возможных расстановок. 16!/2 = 10 461 394 944 000; это число настолько велико, что, сколько бы раз вы ни пробовали, бо́льшая часть вариантов останется неисследованной. Это может заронить в ваше сознание мысль, что возможен, безусловно, любой вариант расстановки.

Хитрая шестиугольная головоломка

В 1974 г. Ричард Уилсон обобщил «пятнашки» и доказал замечательную теорему. Он заменил сдвижные квадратики сетью. Квадратики здесь представлены числами, которые могут скользить по ребру, если оно соединено с узлом, на котором в данный момент располагается пустой квадратик. При этом пустой квадратик перемещается на новую позицию. Приведенная на рисунке фигура показывает начальное расположение блоков головоломки. Узлы связаны, если соответствующие им квадратики располагаются по соседству.

Идея Уилсона состоит в том, чтобы заменить эту сеть вообще любой связанной сетью. Предположим, в ней n + 1 узлов. Первоначально один из узлов, отмеченный квадратиком, считается пустым (назовем его узлом 0), а остальные пронумерованы номерами от 1 до n. Смысл головоломки в том, чтобы двигать эти числа (номера) по сети, меняя местами 0 с номером одного из прилегающих узлов. Правилами оговаривается, что в конце концов 0 вновь должен оказаться в начальной точке. Остальные n чисел могут быть расставлены по сети n! способами.