Can you solve the Mondrian squares riddle? - Gordon Hamilton

1,183,466 views ・ 2018-06-28

TED-Ed


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翻译人员: Lipeng Chen
00:06
Dutch artist Piet Mondrian’s abstract, rectangular paintings
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荷兰艺术家 Piet Mondrian 的 抽象长方形绘画
00:10
inspired mathematicians to create a two-fold challenge.
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启发数学家们创造了一个双重挑战。
00:15
First, we must completely cover a square canvas with non-overlapping rectangles.
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5952
首先,我们必须用互不重叠的 长方形完整地覆盖一个正方形画布。
00:21
All must be unique, so if we use a 1x4, we can’t use a 4x1 in another spot,
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21498
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所有的长方形必须是独特的,若我们用了1x4的 长方形,就不能在其他地方再用4x1的长方形,
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but a 2x2 rectangle would be fine.
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但是用2x2的正方形就可以。
00:31
Let’s try that.
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让我们试一下。
00:33
Say we have a canvas measuring 4x4.
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33106
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假设我们有一个4x4的画布。
00:35
We can’t chop it directly in half,
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35827
2131
我们不能直接把它劈成两半,
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since that would give us identical rectangles of 2x4.
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37958
3613
因为这会给我们两个一样的2x4的长方形。
00:41
But the next closest option - 3x4 and 1x4 - works.
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41571
5436
但是下一种可行的方式就是一个3x4和一个1x4。
00:47
That was easy, but we’re not done yet.
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47007
2434
这很简单,但是我们还有没结束。
00:49
Now take the area of the largest rectangle,
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49441
2668
现在我们看看其中最大的长方形面积,
00:52
and subtract the area of the smallest.
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52109
3063
然后与最小的长方形面积相减。
00:55
The result is our score,
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55172
1989
结果就是我们的分数,
00:57
and the goal is to get as low a score as possible.
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57161
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目标是得分越低越好。
01:01
Here, the largest area is 12 and the smallest is 4,
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对这个来说,最大的面积是12,最小的面积是4,
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giving us a score of 8.
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1868
我们的分数就是8。
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Since we didn’t try to go for a low score that time,
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67301
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因为我们没有尝试去找到最低的分数,
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we can probably do better.
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70337
1871
我们可能可以做得更好。
01:12
Let’s keep our 1x4
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让我们留下1x4的长方形,
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while breaking the 3x4 into a 3x3 and a 3x1.
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73992
5039
并且把3x4的分成3x3的和3x1。
01:19
Now our score is 9 minus 3, or 6.
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79031
3785
现在我们的分数是9减3,6分。
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Still not optimal, but better.
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2543
还不是最小值,但是比之前好了。
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With such a small canvas, there are only a few options.
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85359
4093
对于这么小的画布,我们的选择不是很多。
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But let’s see what happens when the canvas gets bigger.
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89452
2798
但是让我们来看看当画布变大时会发生什么。
01:32
Try out an 8x8; what’s the lowest score you can get?
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92250
4877
试一试8x8的,你能得到最低的分数是多少呢?
01:37
Pause here if you want to figure it out yourself.
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97127
4567
如果你想自己试一下的话就在这里暂停。
01:41
Answer in: 3
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101694
1085
答案在3秒后出现。
01:42
Answer in: 2
28
102779
1061
答案在2秒后出现。
01:43
Answer in: 1
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103840
1383
答案在1秒后出现。
01:45
To get our bearings, we can start as before:
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105223
2362
为了理解我们的想法, 我们可以从之前开始:
01:47
dividing the canvas roughly in two.
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107585
2318
把画布先粗略的分成两半。
01:49
That gives us a 5x8 rectangle with area 40
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109903
3966
这给我们一个5x8的长方形, 有着40的面积,
01:53
and a 3x8 with area 24,
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113869
2614
和一个3x8的长方形, 有着24的面积,
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for a score of 16.
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116483
1838
这样我们就有16分。
01:58
That’s pretty bad.
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118321
1207
这是个糟糕的分数。
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Dividing that 5x8 into a 5x5 and a 5x3 leaves us with a score of 10.
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119528
6925
把5x8的再分成5x5和5x3, 我们就能得到10分。
02:06
Better, but still not great.
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126453
2482
好一点了, 但是还不是最好的。
02:08
We could just keep dividing the biggest rectangle.
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128935
3264
我们可以继续分割最大的长方形。
02:12
But that would leave us with increasingly tiny rectangles,
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132199
3009
但是这样就给我们留下越来越小的长方形,
02:15
which would increase the range between the largest and smallest.
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135208
3810
这会增加最大的和最小的长方形的面积差。
02:19
What we really want
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139018
1716
我们真正想要的是
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is for all our rectangles to fall within a small range of area values.
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140734
5207
让我们所有的长方形 都处于一个很接近的范围。
02:25
And since the total area of the canvas is 64,
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145941
3338
因为画布的总面积是64,
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the areas need to add up to that.
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149279
2336
所以所有长方形的面积需要加起来是64。
02:31
Let’s make a list of possible rectangles and areas.
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151615
3811
让我们把可能的长方形和面积列出来。
02:35
To improve on our previous score,
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155426
2211
为了提高之前的分数,
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we can try to pick a range of values spanning 9 or less
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157637
3767
让我们尝试去挑选一个在9或以下的值,
02:41
and adding up to 64.
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161404
2331
然后加在一起等于64。
02:43
You’ll notice that some values are left out
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163735
2919
你会发现有些数字是要被舍弃的,
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because rectangles like 1x13 or 2x9 won’t fit on the canvas.
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166654
5599
因为像1x13和2x9的长方形并不能嵌入画布。
你也有可能注意到
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You might also realize
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1212
02:53
that if you use one of the rectangles with an odd area like 5, 9, or 15,
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5329
如果你用了像是5,9或15这样奇数面积的长方形,
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you need to use another odd-value rectangle to get an even sum.
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178794
4423
你需要用另外一个奇数面积的 长方形让它们的和为偶数。
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With all that in mind, let’s see what works.
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183217
3416
知道了这些,让我们来看看怎样能成功。
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Starting with area 20 or more puts us over the limit too quickly.
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186633
5018
从大于20的面积开始一下子 就把我们限制住了。
03:11
But we can get to 64 using rectangles in the 14-18 range,
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191651
4982
但我们可以用14-18范围内的长方形去得到64,
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leaving out 15.
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196633
2171
除去15。
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Unfortunately, there’s no way to make them fit.
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198804
2918
但是不幸的是,实际上没有方法 能把这些长方形放进画布,
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Using the 2x7 leaves a gap
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201722
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使用2x7的长方形会留下一个缺口,
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that can only be filled by a rectangle with a width of 1.
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204291
3911
只能被宽度为1的长方形填补,
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Going lower, the next range that works is 8 to 14,
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4075
如果尝试更低的范围, 下一个区间就是8-14,
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leaving out the 3x3 square.
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2520
除去3x3的正方形,
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This time, the pieces fit.
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214797
2149
这次,这些长方形能放到画布中去,
03:36
That’s a score of 6.
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216946
1877
这个得分是6,
03:38
Can we do even better?
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218823
1421
我们能做的更好吗?
03:40
No.
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220244
1095
不能。
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We can get the same score by throwing out the 2x7 and 1x8
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221339
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通过移除2x7和1x8的长方形, 我们能得到同样的分数,
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and replacing them with a 3x3, 1x7, and 1x6.
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225587
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用3x3,1x7和1x6的长方形替代。
03:50
But if we go any lower down the list,
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230050
2689
但是如果我们把范围继续下移,
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the numbers become so small
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1778
那些数字就太小了,
03:54
that we’d need a wider range of sizes to cover the canvas,
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3313
所以我们就需要 一个更大的范围来填满画布,
03:57
which would increase the score.
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这样就会提高分数。
04:00
There’s no trick or formula here – just a bit of intuition.
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这个问题没有什么巧妙地公式, 全凭一点直觉。
04:03
It's more art than science.
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这不只是科学,更像艺术。
04:05
And for larger grids,
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并且对于更大的方块,
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expert mathematicians aren’t sure whether they’ve found the lowest possible scores.
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数学家们不能确定他们是否发现了可能的最低分。
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So how would you divide a 4x4,
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你会怎么分割4x4,
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10x10,
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10x10,
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or 32x32 canvas?
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或是32x32的画布呢?
04:19
Give it a try and post your results in the comments.
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2760
试一下,并在评论里发表你的结果吧。
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