數獨

引言

我在大學時期對數獨很感興趣,並試圖去歸納一些經驗性的規律。直到後來我發現了一個叫chain的東西,通過強弱交錯便可以直接判斷出命題的真假,對此十分驚奇。我歸納出除強弱以外的各種關係,發現若要判斷命題真假,並不僅限於強弱交錯的情況,為此我發明了一套數學符號:這些只有我自己看得懂。為此還需要記憶一套規則,這些規則既不直接,也不直觀,以至於我自己過段時間便不記得了。

後來到博士階段,我在整理舊時手稿時注意到這個問題。它是我研究過為數不多的數學問題之一,在詩文擠壓下顯得格外顯眼。開始我認為它不過是馬爾科夫鏈的一個特例,並試著用轉移矩陣的方式對其進行數學化描述,但並不成功。現在我認為它並不是馬爾科夫鏈,而是一個我還不理解的一個過程,我找到一個將其數學描述的方法。

模型

考慮對A命題,用$\xi_A = \pm 1$正負分別表示該命題的真假。現在需要考慮與B命題之間的關聯,關聯用能量函數E(A,B)表示,並定義一個趨於零的參數$\epsilon \rightarrow 0$用於測量能量函數。現在考慮A與B命題中的任一命題真假性未知的情況下,一共存在如下幾種關係。

互異

A與B真假性相反,用能量函數表示為
$$
\frac{E(A,B)}{\epsilon^2} = \delta(\xi_A+1)\delta(\xi_B+1) + \delta(\xi_A-1)\delta(\xi_B-1)
$$

等價

A與B真假性相同,用能量函數表示為
$$
\frac{E(A,B)}{\epsilon^2} = \delta(\xi_A+1)\delta(\xi_B-1) + \delta(\xi_A-1)\delta(\xi_B+1)
$$

充分

若A為真,則B一定為真;若A為假則不一定,用能量函數表示為
$$
\frac{E(A,B)}{\epsilon^2} = \delta(\xi_A-1)\delta(\xi_B+1)
$$

必要

若A為假,則B一定為假;若A為真則不一定,用能量函數表示為
$$
\frac{E(A,B)}{\epsilon^2} = \delta(\xi_A+1)\delta(\xi_B-1)
$$

矛盾

若A為真,則B一定為假;若A為假則不一定,用能量函數表示為
$$
\frac{E(A,B)}{\epsilon^2} = \delta(\xi_A-1)\delta(\xi_B-1)
$$

排中

若A為假,則B一定為真;若A為真則不一定,用能量函數表示為
$$
\frac{E(A,B)}{\epsilon^2} = \delta(\xi_A+1)\delta(\xi_B+1)
$$

測量

定義測量
$$
E(\bar A_\xi,B) = \lim_{\epsilon \rightarrow 0}\frac{1}{\epsilon}\int_{\xi-\epsilon/2}^{\xi+\epsilon/2}E(A,B)d\xi_A
$$
其中$\xi = \pm 1$,此定義表示在能量函數在$\xi_A = \xi$處的測量。根據定義,對命題的真假判斷則等價為對該處能量測量值零點的尋找,譬如若A命題為真,則相應能量函數可以仿照寫成
$$
\frac{E(A)}{\epsilon} = \delta(\xi_A+1)
$$
計算在$\xi_A = -1$的測量值
$$
E(\bar A_{-1}) = \lim_{\epsilon \rightarrow 0}\frac{1}{\epsilon}\int_{-1-\epsilon/2}^{-1+\epsilon/2} E(A) d\xi_A = 1
$$
以及$\xi_A = +1$的測量值
$$
E(\bar A_{+1}) = \lim_{\epsilon \rightarrow 0}\frac{1}{\epsilon}\int_{+1-\epsilon/2}^{+1+\epsilon/2} E(A) d\xi_A = 0
$$
表明只有$\xi_A = +1$為有意義的解,同時此處測量值為零,即A命題為真。特別地,對這種情況
$$
\frac{E(A)}{\epsilon} = \delta(\xi_A+1) + \delta(\xi_A-1)
$$
在任一點測量值都不為零,即所有解都沒有意義,這種情況與命題真假必居其一相矛盾,要嚴格捨棄。

示例

這樣就可以方便地處理多個命題相互關聯的問題,考慮這個數獨中常常出現的例子:

若A與B不能同時為假,B與C不能同時為真,A與C不能同時為假,用能量函數表示為
$$
\frac{E(A,B,C)}{\epsilon^2} = \delta(\xi_A+1)\delta(\xi_B+1) + \delta(\xi_B-1)\delta(\xi_C-1) + \delta(\xi_A+1)\delta(\xi_C+1)
$$
考慮能量函數在$\xi_A = -1$處的測量值
$$
\begin{aligned}
E(\bar A_{-1},B,C) =& \lim_{\epsilon \rightarrow 0}\frac{1}{\epsilon}\int_{-1-\epsilon/2}^{-1+\epsilon/2} E(A,B,C)d\xi_A\\
=& \epsilon\delta(\xi_B+1) + \epsilon^2\delta(\xi_B-1)\delta(\xi_C-1) + \epsilon\delta(\xi_C+1)
\end{aligned}
$$
以及能量函數在$\xi_A = +1$處的測量值
$$
E(\bar A_{+1},B,C) = \lim_{\epsilon \rightarrow 0}\frac{1}{\epsilon}\int_{+1-\epsilon/2}^{+1+\epsilon/2} E(A,B,C)d\xi_A = \epsilon^2\delta(\xi_B-1)\delta(\xi_C-1)
$$
不難看出只有在$\xi_A = +1$處的測量值是有意義的,這是因為第一種情況下對B的測量會產生矛盾的結果:若要對B的測量值為零,則只能在$\xi_B = 1$處測量,而此處測量同樣會導致
$$
E(\bar A_{-1},\bar B_{+1},C) = \lim_{\epsilon \rightarrow 0}\frac{1}{\epsilon}\int_{+1-\epsilon/2}^{+1+\epsilon/2} E(\bar A_{-1},B,C)d\xi_B = \epsilon\delta(\xi_C-1) + \epsilon\delta(\xi_C+1)
$$
由前面的結論知道,這是一個矛盾的結果,無論對C在哪點測量,結果均非零,要嚴格捨棄。因此只有$\xi_A = +1$處的測量值是有意義的,換言之A命題為真。