Название книги
Лабиринты
Перельман Я. И.
ПРАВИЛО ОДНОЙ РУКИ
Существует очень простой способ входить в любой лабиринт, не боясь в нем заблудиться. Пользуясь этим правилом, можно всегда найти обратный выход из всякого лабиринта, как бы запутаны ни были его переходы. Вот в чем состоит правило безопасного блуждания в лабиринтах:
Надо ходить по лабиринту, все время касаясь его стенки одной и той же рукой.
Это значит, что при входе в лабиринт вы должны коснуться его стенки одной рукой (все равно, правой или левой) и во все время блуждания в нем продолжать касаться стенки той же самой рукой.
Попробуйте — чтобы испытать этот способ—применить «правило одной руки» для мысленной прогулки по плану Гемптонского лабиринта. Вооружившись спичкой, вообразите, что вы входите в этот садовый лабиринт и все время прикасаетесь одной рукой его стенок. Вы довольно скоро доберетесь от наружного входа до центра лабиринта. Не опускайте здесь вашей руки, продолжайте идти дальше, касаясь ею стенок, и безошибочно выберетесь из его закоулков снова к наружному входу.
Откуда взялось это удобное правило? Постараемся понять это. Представьте, что вы входите с завязанными глазами в комнату, в которую имеется только один вход (рис. 2). Как должны вы поступить, чтобы обойти ее всю и снова выбраться из нее? Проще всего идти вдоль стен, не отрывая руки от стены (рис. 3), тогда вы непременно добредете снова до двери, через которую вы вошли. Здесь разумность «правила одной руки» понятна сама собою. Вообразите теперь, что стены комнаты имеют выступы, как показано на рис. 4 и 5. Перед вами уже не простые комнаты, а настоящие лабиринты. Но «правило одной руки» должно, конечно, и в этих случаях сохранять свою силу, надежно приводя вас снова к выходу из помещения.
«Правило одной руки» имеет и свои неудобства. Пользуясь им, вы можете войти в любой лабиринт и наверняка из него выйти. Но это не значит, что вы обойдете все закоулки лабиринта без исключения. Вы побываете только в тех местах, стенки, которых так или иначе связаны с наружной стеной лабиринта,— составляют как бы ее продолжение. Но вы пройдете мимо тех участков лабиринта, стенки которых не имеют связи с наружными его стенами. В садовом лабиринте Гемптона как раз имеется такой участок, и потому, пользуясь правилом «одной руки», вы не можете пройти по всем дорожкам этого лабиринта: одна дорожка остается не пройденной. На рис. 6 пунктирные линии показывают путь вдоль стен живой изгороди, если пользоваться «правилом одной руки», а звездочка отмечает ту аллею, которая при этом остается не пройденной.
Название книги
Лабиринты
Перельман Я. И.
ПРАВИЛО ОДНОЙ РУКИ
Существует очень простой способ входить в любой лабиринт, не боясь в нем заблудиться. Пользуясь этим правилом, можно всегда найти обратный выход из всякого лабиринта, как бы запутаны ни были его переходы. Вот в чем состоит правило безопасного блуждания в лабиринтах:
Читайте также: Как в гугле отключить блокировку всплывающих окон
Надо ходить по лабиринту, все время касаясь его стенки одной и той же рукой.
Это значит, что при входе в лабиринт вы должны коснуться его стенки одной рукой (все равно, правой или левой) и во все время блуждания в нем продолжать касаться стенки той же самой рукой.
Попробуйте — чтобы испытать этот способ—применить «правило одной руки» для мысленной прогулки по плану Гемптонского лабиринта. Вооружившись спичкой, вообразите, что вы входите в этот садовый лабиринт и все время прикасаетесь одной рукой его стенок. Вы довольно скоро доберетесь от наружного входа до центра лабиринта. Не опускайте здесь вашей руки, продолжайте идти дальше, касаясь ею стенок, и безошибочно выберетесь из его закоулков снова к наружному входу.
Откуда взялось это удобное правило? Постараемся понять это. Представьте, что вы входите с завязанными глазами в комнату, в которую имеется только один вход (рис. 2). Как должны вы поступить, чтобы обойти ее всю и снова выбраться из нее? Проще всего идти вдоль стен, не отрывая руки от стены (рис. 3), тогда вы непременно добредете снова до двери, через которую вы вошли. Здесь разумность «правила одной руки» понятна сама собою. Вообразите теперь, что стены комнаты имеют выступы, как показано на рис. 4 и 5. Перед вами уже не простые комнаты, а настоящие лабиринты. Но «правило одной руки» должно, конечно, и в этих случаях сохранять свою силу, надежно приводя вас снова к выходу из помещения.
«Правило одной руки» имеет и свои неудобства. Пользуясь им, вы можете войти в любой лабиринт и наверняка из него выйти. Но это не значит, что вы обойдете все закоулки лабиринта без исключения. Вы побываете только в тех местах, стенки, которых так или иначе связаны с наружной стеной лабиринта,— составляют как бы ее продолжение. Но вы пройдете мимо тех участков лабиринта, стенки которых не имеют связи с наружными его стенами. В садовом лабиринте Гемптона как раз имеется такой участок, и потому, пользуясь правилом «одной руки», вы не можете пройти по всем дорожкам этого лабиринта: одна дорожка остается не пройденной. На рис. 6 пунктирные линии показывают путь вдоль стен живой изгороди, если пользоваться «правилом одной руки», а звездочка отмечает ту аллею, которая при этом остается не пройденной.
С глубокой древности лабиринты несли ощущение тайны и загадки. Один из первых лабиринтов, известных человечеству, описывает Геродот — это был египетский Лабиринт, в котором было 5000 комнат. Со временем лабиринты утратили свое религиозно-мистическое значение и стали объектами развлечений, превратившись в сады и парки в виде зеленых изгородей сложной конфигурации.
Разгадывание лабиринтов всегда являлось увлекательнейшим занятием, но еще более увлекательным является создание машин, способных пройти Лабиринт.
Одним из самых простых правил для прохождения лабиринта является правило «одной руки»: двигаясь по лабиринту, надо все время касаться правой или левой рукой его стены. Этот алгоритм, вероятно, был известен еще древним грекам. Придется пройти долгий путь, заходя во все тупики, но в итоге цель будет достигнута. Хотя у этого правила и есть один недостаток, но о нем мы поговорим позже.
Попробуем описать робота, действующего в соответствии с правилом «правой руки».
В начале своей работы робот должен найти стену, по которой он будет следовать. Для этого он может просто двигаться вперед, пока не упрется в преграду.
После того как робот наткнулся на препятствие, он начинает передвигаться в соответствии с правилом «правой руки».
Двигаясь вдоль стены, робот следит, есть ли проход справа. Если проход есть, робот должен идти по нему, чтобы не оторваться от стены справа.
Если прохода нет — впереди стена — робот поворачивает налево. Если прохода снова нет, он еще раз поворачивает налево, таким образом разворачиваясь на 180 градусов, и идет в обратном направлении.
Блок-схема алгоритма для робота, работающего по правилу «правой руки», представлена на рисунке.
Попробуем проверить работу данного алгоритма и напишем для него программу. Для этой цели обратимся к среде программирования GameLogo . Эта среда является удобным средством для моделирования различных алгоритмов, связанных с управлением роботами. В ней есть исполнитель черепаха, который по своей сути является не чем иным, как самым настоящим роботом. Черепаха располагает очень удобным набором команд — вперед, направо, налево, назад. Кроме того, в центре черепахи есть датчик, принимающий значение от 0 до 100, в зависимости от тона поверхности, на которой она находится.
Диалект языка Лого, который мы будем использовать, очень прост и похож на Basic. Познакомиться с командами языка можно здесь. А бесплатно скачать среду программирования GameLogo — здесь. Размер дистрибутива невелик — всего 1 Mb.
В архиве с GameLogo есть фоны с лабиринтами, одним из которых мы и воспользуемся.
Читайте также: Программы для смарт приставки на андроиде
В самом начале программы дадим команду черепахе, чтобы она подняла перо (по умолчанию черепаха оставляет после себя след).
Размер поля — 800 на 600 точек. Исходное положение для черепахи находится в месте с координатами 115, 545 (белый квадрат).
Цвет дорожек лабиринта — светлый, на них датчик будет принимать значения больше 50. Цвет стен лабиринта — темный, значение датчика будет меньше 50. Выход из лабиринта представлен черным квадратом, значение датчика над которым будет равно 0.
Объявим переменную флаг, с помощью которой будем контролировать, достигнут ли выход из лабиринта.
Напишем программу и запустим ее с помощью большой красной кнопки с надписью «Выполнить».
Если известно, что у лабиринта нет отдельно стоящих стенок, то есть нет замкнутых маршрутов, по которым можно возвращаться в исходную точку, то такой лабиринт называют односвязным и его всегда можно обойти полностью, применив правило «одной руки».
Если же лабиринт содержит отдельно стоящие стенки, то, применяя правило «одной руки», не всегда можно пройти все коридоры и тупики. Лабиринты с отдельно стоящими стенками и с замкнутыми маршрутами называются многосвязными. При этом многосвязные лабиринты можно разделить на две группы: без «петли» вокруг цели (замкнутый маршрут не проходит вокруг цели) и с замкнутой «петлей» вокруг цели (цель можно обойти по замкнутому маршруту).
В многосвязных лабиринтах второй группы правило «одной руки» не работает и, применяя его, достичь цели невозможно. Но и эти лабиринты можно пройти, полагаясь на точный алгоритм.
Решение задачи о таких лабиринтах принадлежит сравнительно позднему времени, и начало ему положено Леонардом Эйлером. Эйлер не без оснований полагал, что выход из любого лабиринта может быть найден, и притом сравнительно простым путем.
Читайте также: Как сделать загрузочный диск через ultraiso
Универсальный алгоритм прохождения любых лабиринтов был описан только через столетие в книге французского математика Э. Люка «Recreations matematiques», изданной в 1882 году. Интересно, что Люка при описании алгоритма указал на первенство другого французского математика М. Тремо. Таким образом, алгоритм стал известен как алгоритм Люка-Тремо .
Тремо предлагает следующие правила: выйдя из любой точки лабиринта, надо сделать отметку на его стене (крест) и двигаться в произвольном направлении до тупика или перекрестка; в первом случае вернуться назад, поставить второй крест, свидетельствующий, что путь пройден дважды — туда и назад, и идти в направлении, не пройденном ни разу, или пройденном один раз; во втором — идти по произвольному направлению, отмечая каждый перекресток на входе и на выходе одним крестом; если на перекресте один крест уже имеется, то следует идти новым путем, если нет — то пройденным путем, отметив его вторым крестом.
Зная алгоритм Тремо, можно скорректировать поведение легендарного Тесея. Вдохновленный подарком любимой Ариадны, он уверенно идет по лабиринту. Вдруг перед ним возникает ход, по которому уже протянута нить. Что делать? Ни в коем случае не пересекать ее, а вернуться по уже известному пути, сдваивая нить, пока не найдется еще один непройденный ход.
Применив вариант алгоритма Тремо, отец теории информации Клод Шеннон (Claude Elwood Shannon) построил одного из первых самообучающихся роботов. Шеннон дал ему звучное имя «Тесей», но в истории «Тесей» стал больше известен как «мышь» Шеннона. «Мышь» сначала обследовала весь лабиринт, а затем (во второй раз) проходила весь путь значительно быстрее, избегая участков, пройденных дважды.
В наши дни роботы, проходящие лабиринт, являются участниками одного из самых интересных состязаний думающих машинок, которое проходит в нескольких странах мира. Эти соревнования носят общее название Micromouse competition и по своим техническим новациям относятся к лидерам робототехнического спорта.
На первой Российской Олимпиаде Роботов проводились соревнования, целью которых было прохождение своеобразного лабиринта: за наиболее короткое время, двигаясь через «открытые двери» в стенках, робот должен был добраться от места старта до места финиша. Контролировать свое движение робот мог по черным линиям, нанесенным на пол лабиринта.
