Ciência de Garagem

Um blog sobre ciência em geral e matemática em particular

quarta-feira, julho 22, 2015

Kakuro

Por Wikipedia

O kakuro é um jogo de raciocínio lógico. A palavra, de origem japonesa, resulta da palavra adição com a palavra inglesa cross, que em português significa cruzar. Este quebra-cabeça é visto como a transliteração matemática das palavras cruzadas, sendo por isso conhecido também pelo nome somas cruzadas.

Regras:

  • O objetivo do passatempo é colocar números de 1 a 9 em cada uma das células brancas, de tal maneira que a soma de todos os números em cada entrada se iguale ao número da dica associada a ela;
  • Nenhum número pode estar duplicado em cada entrada. Esta restrição aos números duplicados faz com que os kakuros sejam criados com uma única solução possível.

Quebra-cabeça: abaixo, temos um exemplo de um kakuro nível fácil.



Solução: a solução para este quebra-cabeça está indicado a seguir.



Futoshiki triplo

Por Dan Katz

Futoshiki é um quebra-cabeça japonês cujo significado é "desigualdade". É baseado no quadrado latino, contendo restrições do tipo "é-maior-que" entre as células, com seu respectivo símbolo matemático (>). Observe as restrições nos três quadrados; ao contrário de um futoshiki típico (composto por apenas um quadrado latino), nenhum dos três quadrados pode ser resolvido de forma independente. Desde que o sudoku tornou-se popular, matemáticos e jogadores de quebra-cabeças têm se interessado em sudokus com o mínimo de dicas possível. Um estudo semelhante para o futoshiki, onde as dicas podem ser números ou desigualdades, conduziram a muitas questões interessantes em aberto.

Muitos exemplos de futoshiki podem ser encontrados na Internet; na Wikipedia, por exemplo, há um artigo em inglês sobre esse quebra-cabeça (vide aqui). Para uma perspectiva matemática, estão postados aqui alguns slides da minha palestra sobre futoshiki que apresentei no Joint Mathematics Meetings de 2012.

Instruções:

  • Em cada uma das três grades, posicione os números de 1 a 15 dentro dos quadrados (um número por quadrado) de modo que nenhuma linha ou coluna contenha um número repetido e que os símbolos de desigualdade entre pares de quadrados sejam respeitados;
  • Além disso, quadrados na mesma posição porém em grades diferentes têm que ter números diferentes.


Sobre o autor: Dan Katz é conferencista da Universidade Brown. Este artigo saiu na revista MAA Focus, edição de Jun/Jul - 2012.


Solução deste quebra-cabeça: abaixo temos a solução para o futoshiki triplo proposto.



Ken-ken: variações

Por Robert Fuhrer

O quebra-cabeça ken-ken é uma diversão familiar em muitas publicações ao redor do mundo, sítios na web e ainda em aplicações móveis. Também são utilizados por mais de 30.000 professores em suas aulas para ensinar habilidades matemáticas, raciocínio lógico, solução de problemas, pensamento criativo e perseverança. Neste artigo, iremos um passo além para explorar algumas variações interessantes do jogo.

Regras básicas do ken-ken:

  • Para uma grade n x n, preencha cada linha e coluna com números, de 1 até n;
  • Cada conjunto realçado de células, denominado gaiola, contém uma dica matemática que consiste de um número e uma operação aritmética. Os números na gaiola devem combinar (em qualquer ordem) para produzir o número almejado utilizando-se a operação matemática indicada;
  • Gaiolas com uma única célula devem ser preenchidas com o número indicado;
  • Números podem ser repetidos numa gaiola, desde que não se repitam em nenhuma outra linha ou coluna.
Veja o exemplo abaixo:


O ken-ken 4 x 4 à esquerda tem solução apresentada à direita.

Quebra-cabeça 1: O quebra-cabeça abaixo é um ken-ken 9 x 9 que segue as regras padrões, mas representa um desafio real!


Quebra-cabeça 2: ken-ken torção
Se você já jogou muito ken-ken, então provavelmente você tenha estratégias que estejam baseadas no fato de que os números "de 1 a n" são aqueles com os quais você tem que lidar. No ken-ken torção utilizamos um conjunto diferente de números, para apimentar um pouco as coisas. Os números a serem usados estão listados no canto superior direito do quebra-cabeça:


Quebra-cabeça 3: ken-ken sem operações
Neste quebra-cabeça, voltamos a utilizar o conjunto padrão "de 1 a n" números, mas decidimos não te mostrar nenhuma das operações. Você deve determinar que operações precisam ser aplicadas em cada gaiola. Boa sorte!


A princípio, resolver ken-kens requer não apenas aritmética mas também uma combinação de lógica, álgebra, teoria dos números e combinatória. Quebra-cabeças ken-ken também tem sido usados em sala de aula para explorar silogismos e isomorfismo, partições e outros tópicos de matemática discreta, e até conceitos geométricos. Por exemplo, veja aqui o artigo do National Council of Teachers of Mathematics: "Using kenken to build reasoning skills". Ken-ken também é uma boa diversão para projetos de pesquisa de graduação e pós-graduação em matemática recreacional.

Para jogar ken-ken de virtualmente qualquer tamanho ou nível de dificuldade, visite o Kenken Puzzle Official Site. Também é possível baixar o aplicativo Kenken Classic da Apple Store, do Google Play Store ou da Kindle App Store. Professores também podem se cadastrar gratuitamente no KenKen Classroom  Program, que oferece semanalmente um conjunto de quebra-cabeças de variados tamanhos e níveis.

Sobre o autor: Robert Fuhrer é o fundador da Nextoy LLC e da Kenken Puzzle Co. Este artigo saiu na revista MAA Focus, edição de Jun/Jul - 2015.

Solução destes quebra-cabeças: abaixo temos a solução dos três quebra-cabeças.

Quebra-cabeça 1:


Quebra-cabeça 2:


Quebra-cabeça 3:



Sudoku vazio

Por Sonia Brown, Jim Henle, Christine Niccoli e Bayla Weick

Por sudoku "vazio" queremos dizer que não existem dicas com números. Temos muitas variantes deste quebra-cabeça e apresentamos três delas. Em todos os sudokus apresentados aqui, os números 1, 2, 3, 4 e 5 tem que aparecer em cada linha e coluna. No quebra-cabeça à esquerda, a soma dos números em cada uma das regiões em destaque deve ser a mesma.

No quebra-cabeça do meio, a soma dos números em cada uma das regiões em destaque deve ser diferente. Finalmente, no quebra-cabeça à direita, a soma dos números em cada uma das regiões em destaque tem que resultar num número primo. Quebra-cabeças do primeiro tipo foram introduzidos alguns anos atrás no artigo "Creating clueless puzzles", da autoria de Jerry Butters, Fred Henle, Jim Henle e Colleen McGaughey no The Mathematical Intelligencer.


Sobre os autores: Sonia Brown, Jim Henle, Christine Niccoli e Bayla Weick são estudantes universitários na faculdade Smith, Northampton, Massachusetts. Este artigo saiu na MAA Focus, Jun/Jul - 2013.

Solução do quebra-cabeça: abaixo, a solução apresentada pelos autores para este tipo de sudoku.



Labirintos matemáticos

Por Tim Chartier

Há dois desafios neste quebra-cabeça: (1) encontre um caminho que viaje da entrada até a saída; e (2) identifique o matemático utilizado como base para o labirinto.



Este labirinto adapta a arte do Problema do Caixeiro Viajante (PCV), como introduzido por Robert Bosch, Adrianne Herman e Craig Kaplan, para a criação de labirintos. Mais que utilizar cidades localizáveis geograficamente, estes quebra-cabeças contêm ranhuras que formam uma imagem de fundo. Uma vez que estas rotas constituem uma linha contínua, sem sobreposições, tem-se garantidas duas regiões/faces na imagem. Entrar e sair de uma região fornece uma solução mesmo que o criador a desconheça. Esta abordagem com labirintos foi introduzida no livro: Math Bytes: Google bombs, chocolate-covered Pi, and other cool bits in computer (Princeton, 2014) por Tim Chartier.

Outros labirintos do mesmo tipo:



Para obter mais labirintos PVC e os nomes dos matemáticos apresentados neste artigo, visite meu site.

Sobre o autor: Tim Chartier é um professor associado na Faculdade Davidson. Este artigo saiu na revista MAA Focus, edição de Jun/Jul - 2014.

Sudoku a quatro cores

Por David Shoenthal

Algumas variantes de sudoku negociam os dígitos iniciais no quebra-cabeça por informação alternativa, tal como a soma ou o produto de dígitos em uma região. Nesta variante, temos somas de dígitos em regiões sobrepostas.

Regras:

  • Os dígitos de 1 a 9 aparecem em cada linha e em cada coluna uma única vez, e os dígitos de cada área hachurada, uma vez somados, devem resultar no número indicado;
  • Uma área hachurada pode conter dígitos repetidos desde que não viole a regra anterior;
  • Toda célula com múltiplas hachuras contém um número usado na soma de cada uma das regiões adjacentes.

O teorema das quatro cores estabelece que qualquer mapa plano pode ser colorido usando-se apenas quatro cores, de tal modo que duas regiões não compartilhem nem uma fronteira não-trivial nem a mesma cor. Sua primeira conjectura foi escrita por Arthur Cayley em seu artigo de 1879: "On the colourings of maps", mas a conjectura original foi feita por Francis Guthrie. Ele coloriu um mapa da Inglaterra usando apenas quatro cores e pergunto-se se esse resultado se aplicaria a qualquer mapa. Em 2002 um trabalho conjunto feito por Maria Chudnovsky, Neil Robertson, Paul Seymour e Robin Thomas, que pode ser visto aqui, provam o teorema gráfico perfeito forte, que relaciona os tipos de gráficos para os quais pode-se resolver este tipo de problema de colorização em geral.


Sobre o autor: David Shoenthal é chefe de cadeira e um professor associado da Universidade Longwood. Este artigo saiu na revista MAA Focus, na edição de Dez - 2011/Jan - 2012.


Solução deste quebra-cabeça: abaixo temos a solução deste sudoku a quatro cores.


Alcazar: entradas e saídas

Por Jérôme Morin-Drouin

Com Alcazar, meu objetivo foi criar um quebra-cabeça que requer menos paciência e mais pensamento criativo que quebra-cabeças com números. Um sudoku sem números, como gosto de dizer. Cada nível apresenta uma sala que você tem que visitar:
  • Entre por uma porta, saia pela outra;
  • Cruze todos os quadrados exatamente uma vez;
  • Cada quebra-cabeça tem uma solução única.

Com regras tão simples, qualquer um consegue apreciá-lo. Assim, à medida que a dificuldade aumenta, o jogo revela qualidades que vão além das minhas expectativas iniciais. Após centenas de níveis, nossa pequena comunidade de jogadores sempre encontra meios novos e inesperados de resolver cada quebra-cabeça. Você pode encontrar muitas dessas técnicas no blog do jogo.

Apenas recentemente um talentoso jogador de Alcazar percebeu que muitas das estratégias do jogo podem ser derivadas de uma fórmula simples que eu pomposamente chamo de teorema fundamental do Alcazar: pegue qualquer quebra-cabeça Alcazar e pinte seus quadrados como em um tabuleiro de xadrez. Seja Qp o conjunto de quadrados pretos e Qb o conjunto de quadrados brancos. Escolha qualquer região RQp Qb. Suponha que a solução para o jogo cruze a fronteira R, np + nb vezes: np é o número de vezes que ele sai de R por um quadrado preto (“saída preta”) e nb o número de vezes que ele sai de R por um quadrado branco (“saída branca”). Temos:

2(| RQb |) - (| RQp |) = nb - np

Em outras palavras, em qualquer parte do quebra-cabeça Alcazar, o número adicional de saídas pretas é duas vezes o número adicional de quadrados pretos. Por exemplo, qualquer retângulo com um número par de quadrados tem que ter a mesma quantidade de quadrados pretos e brancos. Mas primeiro, a melhor forma de apreciar o jogo é encontrar você mesmo as técnicas de solução, sem fórmulas. Vá em frente e tente! Diga-me o que você acha visitando meu site. Lá, você encontrará muitas formas de continuar jogando em papel, Android, iOS e outros. Divirta-se com mais estes três desafios:

Desafio fácil:

Desafio médio:

Desafio difícil:

Jérôme Morin-Drouin toca a Incredible Company. Este quebra-cabeça saiu na revista MAA Focus, edição de Abr/Mai - 2015.
Solução dos quebra-cabeças: abaixo temos a solução para cada Alcazar proposto.

Desafio fácil:


Desafio médio:


Desafio difícil: