Borromean rings的另一个离奇的性质

    下图中的图 (a) 是由三个绳圈组成的。这是一个非常经典的图形,叫做 Borromean rings 。 Borromean rings 有一个非常神奇的特点:它们是套在一起的,没有哪个绳圈能从中取出来;但是,仔细观察你会发现,每两个绳圈之间都并没有直接套在一起!

      

    Borromean rings 还有一个听上去更离奇的性质:如图 (b) 所示,如果把其中任意两个绳圈真的套在一起,那么第三个绳圈就会自动脱落掉!为了看出这一点来,我们可以像图 (c) 那样,把其中一个绳圈缩小,让它紧紧地裹在另一个绳圈上,这下就很容易看出,它已经不再对第三个绳圈有任何限制作用了。

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Hofstadter的非线性递推数列

    在著名奇书 Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden Braid 的第五章中,为了展现出递推序列的神奇之处,作者 Douglas Hofstadter 定义了这么一个递推序列: G(n) = n – G(G(n – 1)) ,其中 G(1) = 1 。这个序列的前 30 项如下:

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
G(n) 1 1 2 3 3 4 4 5 6 6 7 8 8 9 9 10 11 11 12 12 13 14 14 15 16 16 17 17 18 19

      

    这个数列通常被称作 Hofstadter G-sequence 。它有什么特别的地方呢?如上图,如果把每个标号为 n 的结点都连接到标号为 G(n) 的结点下方,这样的话你将会得到一棵树。从第二行开始算起,各行的结点个数依次为 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, … 正好是著名的 Fibonacci 数列(头两个数都是 1 ,从第三个数开始,每个数都是前两个数之和)。如果我们把第 i 个 Fibonacci 数记作 Fi 的话,上面的规律可以重新表述为:当 n ≥ 2 时,这棵树的第 n 行的结点总个数为 Fn-1 。另外,这棵树的前 n 行的结点总数(也就是第 n 行最右边那个结点的编号)正好等于 Fn+1 ,也是一个个的 Fibonacci 数。对照上面两个事实,你会惊奇地发现,莫非 F1 + F2 + … + Fn-1 + 1 总是等于 Fn+1 ?事实的确如此,上面这个式子对于所有大于等于 2 的正整数 n 均成立。

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五个有趣的拓扑变换问题

    如果你喜欢上次的空间想象能力挑战,你一定会喜欢 V. V. Prasolov 的 Intuitive Topology 一书。书中的第一章有五个非常经典的“拓扑变换”类谜题,在此与大家分享。注意游戏规则:我们假设所有物体都是用橡胶做成的,可以随意地拉伸、挤压、弯曲,但不允许切断、粘连等任何改变图形本质结构的操作。

    1. 能否把左图连续地变形为右图?

      

 
    2. 能否把左图连续地变形为右图?

      

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空间想象能力挑战:把左图连续地变换为右图

    为了说明“同痕”这一概念直观上并不容易把握,《The Knot Book》一书中举了一个经典的例子。如下图,左图是一个有三个洞的立体图形,右图是被挖出了三条通道的立方体(但其中一个通道在另一个通道上缠绕了一圈)。令人难以置信的是,两者之间竟然是同痕的,换句话说前者可以连续地变形成为后者。你能想象出这个变换过程吗?

      

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