Phân loại
Các phiên bản Rubik. Từ trái qua: Rubik báo thù, Rubik tiêu chuẩn, Khối dành cho giáo sư và Khối bỏ túi
Rubik hiện đại thường làm bằng chất dẻo, có bốn phiên bản chính là: 2×2×2 ("Khối bỏ túi"), 3×3×3 (Khối tiêu chuẩn), 4×4×4 ("Rubik báo thù") và 5×5×5 ("Khối dành cho giáo sư"). Gần đây các khối lớn hơn đã xuất hiện trên thị trường như khối 6×6×6 và 7×7×7 (V-Cube 6 và V-Cube 7).
Từ khối Rubik tiêu chuẩn, người ta đã tạo ra các khối có dạng hình học khác như tứ diện (Pyraminx), bát diện (Skewb Diamond), khối 12 mặt (Megaminx) và khối 20 mặt (Dogic);
hoặc các khối không lập phương như 2×3×4, 3×3×5, 1×2×3. Thậm chí hiện
nay với máy tính, người ta đã có thể mô phỏng các khối Rubik trong không gian n chiều mà bình thường không thể tạo ra ngoài thực tế.
Quá trình phát triển
Năm 1970, Larry Nichols tạo ra khối 2×2×2 "Trò chơi với các miếng có thể xoay theo khối", các khối được liên kết với nhau bằng nam châm và sáng tạo này đã được cấp bằng sáng chế 3 655 201 của Mỹ vào ngày 11 tháng 04 năm 1972.
Ngày 16 tháng 1 1971, Frank Fox được cấp bằng sáng chế của Anh số 1 344 259 cho "khối 3×3×3 hình cầu".
Bản tin Rubik của Ideal Toys trong các năm 1982, 1983
"Lập phương Ma thuật" được Ernő Rubik phát minh vào năm 1974 bằng sự đam mê hình học
và nghiên cứu những mẫu dạng ba chiều. Rubik được cấp bằng sáng chế của
Hungary số HU170062 vào năm 1975 nhưng không đăng ký phát minh này ở
các nước khác. Lô hàng đầu tiên được sản xuất vào năm 1977 và được bán
ở Budapest.
Khối của Rubik được làm bằng cách gắn các mảnh nhựa rời với các khe có
thể trượt trên nhau nên rẻ hơn thiết kế bằng nam châm của Nichols.
Tháng 9 năm 1979, Ideal Toys ký hợp đồng để mang trò chơi này đến với
các nước phương Tây, trò chơi ra mắt ở Luân Đôn, Paris, Nürnberg và New York trong tháng 1 và 2 năm 1980.
Sau đó ít lâu, nhà sản xuất quyết định đổi tên cho nó. Hai tên "The
Gordian Knot" và "Inca Gold" được đề xuất, nhưng cuối cùng công ty
quyết định lấy tên "Khối Rubik", và lô hàng đầu tiên được xuất khẩu từ
Hungary vào tháng 5 năm 1980.
Tận dụng sự "cháy hàng" ban đầu của món đồ chơi này, nhiều sự bắt chước xuất hiện. Năm 1984, Larry Nichols
thông qua Moleculon Research kiện Ideal Toys vì đã vi phạm bằng sáng
chế số US3655201. Vụ kiện thành công với khối 2×2×2 nhưng thất bại với
khối 3×3×3.
Một người Nhật tên Terutoshi Ishigi cũng nhận một bằng sáng chế của Nhật
cho một cơ chế tương tự Rubik, trong khi bằng sáng chế của Rubik đang
được duyệt (bằng sáng chế JP55-0081912 vào năm 1976, năm thứ 55 triều
Showa). Vào thời gian này, Nhật cấp bằng sáng chế cho các công nghệ
chưa được biết đến ở Nhật[2]. Do đó, phát minh của Ishigi được coi là độc lập với các phát minh trên.
Gần đây, nhà phát minh người Hy Lạp, Panagiotis Verdes đã nhận được bằng sáng chế
cho phương thức sản xuất có thể tạo ra các khối Rubik lớn tới 11×11×11.
Nó bao gồm những cơ chế cải tiến từ 3×3×3, 4×4×4 và 5×5×5 để có thể
xoay nhanh hơn mà không bị vỡ như thiết kế hiện tại. Từ 19 tháng 6 năm 2008,
các khối 5×5×5, 6×6×6 và 7×7×7 đã được bày bán trên thị trường. Ngoài
ra còn có nhiều loại rubik khác như rubik hình tròn, rubik tam giác,
rubik ma thuật, rubik kim cương, rubik đa chiều, v.v...
Các hình dạng không vuông đã đề cập được tạo ra bởi Mèffert's Puzzles, công ty do Uwe Mèffert sáng lập.
Cơ chế
Rubik được tháo rời
Khối Rubik tiêu chuẩn có chiều dài mỗi cạnh 5,7 cm, được tạo thành
từ 26 khối nhỏ hơn. Phần giữa của mỗi mặt trong 6 mặt chỉ là một hình
vuông gắn với các cơ chế khung làm lõi, đóng vai trò khung sườn cho
cách mảnh khác dựa vào và xoay quanh. Khối Rubik có thể được tháo ra dễ
dàng, thường bằng cách xoay một mặt 45° và lắc một khối ở cạnh cho tới
khi nó rời ra. Tính chất này thường được dùng để "giải" khối Rubik.
Ở các cạnh của khối Rubik, các mảnh có các màu khác nhau ở các mặt.
tuy nhiên không phải mọi tổ hợp màu đều có trên khối; như với khối
Rubik tiêu chuẩn, mặt xanh lá đối diện với mặt xanh dương nên sẽ không
có cạnh giáp xanh lá và xanh dương.
Trong số 1982 của tờ Scientific American, Douglas Hofstadter
đã chỉ ra cách tô màu khối Rubik để làm nổi bật các cạnh thay vì các
mặt như cách tô tiêu chuẫn. Tuy nhiên ý tưởng này hiện vẫn chưa được
thương mại hóa.
Số hoán vị
Một khối Rubik tiêu chuẩn (3×3×3) có thể có 8!
cách sắp xếp các khối ở cạnh, 7 khối có thể được xoay tùy ý vì chiều
của khối thứ 8 phụ thuộc 7 khối còn lại; tạo ra 3⁷ hoán vị. Các khối ở
cạnh có 12!/2 hoán vị. Xem chiều của 1 khối ở cạnh là cố định, chiều
của 11 khối có thể độc lập với nhau; tạo ra 2¹¹ hoán vị. Tổng cộng khối
Rubik có:
[3]
Tức 43.252.003.274.489.856.000, hay hơn bốn mươi ba tỷ tỷ, hoán vị
khác nhau. Nói một cách hình tượng, khi coi mỗi khối Rubik tượng trưng
cho một cách hoán vị và xếp liên tiếp các khối Rubik này (có kích thước
tiêu chuẩn là 5,7 cm) thành một dãy thì dãy Rubik sẽ kéo dài xấp xỉ 261
năm ánh sáng. Nếu xếp sát nhau tạo thành một bề mặt (cong) thì số Rubik này sẽ phủ kín bề mặt Trái Đất 256 lần.
Con số trên chỉ mới là số các trạng thái có thể đạt tới bằng cách
xoay các mặt. Nếu tính cả các trang thái có thể có do tháo rời khối
Rubik và lắp lại thì con số lên đến:
Hay 519.024.039.293.878.272.000 (519 tỷ tỷ) hoán vị hay 12
lần nhiều hơn. Mỗi hoán vị trong tập lớn hơn này có thể xoay về một
trong 12 vị trí khác nhau (gọi là "quỹ đạo"). Lời giải bình thường của
khối Rubik chính là một trong 12 vị trí này. Để có một khái niệm sâu
hơn, xem thêm lý thuyết nhóm.
Tuy có nhiều khả năng nhưng bài toán thường chỉ được quảng cáo đến
mức có "hàng tỷ" vị trí, để giảm áp lực tâm lý cho người chơi. Thực tế,
đã có tuyên bố rắng mọi hoán vị có thể giải được của khối Rubik có thể
được giải trong 22 bước hoặc ít hơn[4].
Cách giải
Xem cách giải cụ thể cho khối 3×3×3 ở Wikibooks (tiếng Anh) How to solve the Rubik's CubeXem cách giải cụ thể cho khối n×n×n ở Wikibooks (tiếng Anh) How To Solve Any NxNxN Rubik's Cube
Có rất nhiều cách giải khác nhau đã được tìm ra. Cách giải thông dụng nhất do David Singmaster, một nhà toán học người Anh công bố trong cuốn Notes on Rubik's "Magic Cube" năm 1981[5].
Phương pháp này giải khối Rubik từng tầng một. Trong thực tế, phương
pháp này có thể xoay được dưới 1 phút và vẫn phù hợp với người mới bắt
đầu. Phương pháp này thường được dạy bằng hình ảnh cùng với hướng dẫn
xoay từng bước.
Về các phương pháp khác, xem phần thuật toán bên dưới.
Ghi bước đi
Hầu hết các hướng dẫn giải đều dùng cách ghi chú của Singmaster,
thường gọi là "Cách ghi chú Singmaster" hoặc "Ghi hướng xoay". Cách ghi
chú này quy ước các mặt theo phương nhìn của người chơi và xoay theo
chiều kim đồng hồ. Tính tương đối của các ghi chú này so với vị trí các
mặt làm cho các lời giải linh hoạt hơn và có thể áp dụng được trong
nhiều trường hợp tương tự nhau.
Cách ghi chú này được dịch ra tiếng Việt như sau:
Trong tiếng Anh, ký hiệu các mặt trên lần lượt là B - D - F - L - R
- U. Khi các kí tự này được viết cùng với dấu nháy đơn ' nghĩa là xoay
theo chiều ngược với hình vẽ (xoay ngược chiều kim đồng hồ). Ghi chú
của các mặt có thể có một con số theo sau, đó là số lần phải quay mặt
này. Ví dụ N2 nghĩa là quay mặt trên 2 lần (quay 180 độ).
Ghi bước đi mở rộng
Với các khối lớn hơn 3×3×3, các ký tự chữ thường được dùng để chỉ
các lớp ở giữa, các ký tự hoa được dùng để chỉ các lớp ở ngoài như bình
thường.
[sửa] Các cách ghi chú khác
Thường dựa trên các ghi chú của Singmaster, với các khác biệt sau:
Thuật toán
Trong thuật ngữ của người chơi Rubik, một "thuật toán" (khái niệm này khác với thuật toán
trong toán học) là một bộ các bước để thực hiện một công việc nào đó:
chuyển từ trạng thái ban đầu đến trạng thái mong muốn. Các phương pháp
giải khác nhau sử dụng các thuật toán khác nhau; với mỗi thuật toán cần
nắm được công dụng và cách dùng.
Hầu hết thuật toán chỉ ảnh hưởng một phần nhỏ của khối mà không thay
đổi các phần khác, chẳng hạn như xoay các khối ở góc, đổi vị trí các
khối ở cạnh v.v. Một số thuật toán có tác dụng phụ làm thay đổi vị trí
các mảnh khác lại thường đòi hỏi ít nước đi hơn và được dùng nhiều khi
bắt đầu giải (chưa cần quan tâm tới vị trí các mảnh khác).
Thuật toán xoay nhanh
Các thuật toán xoay nhanh được tạo ra để giải khối Rubik trong thời
gian nhanh nhất có thể. Phương pháp thường dùng nhất được phát triển
bởi Jessica Fridrich,
là phương pháp giải theo từng lớp có kết hợp các bước so với phương
pháp thông thường tuy nhiên đòi hỏi người sử dụng phải nhớ một lượng
thuật toán khá lớn (120 thuật toán).
Một phương pháp khác được phát triển bởi Lars Petruss
bao gồm việc giải một khối 2×2×2 rồi đến 2×2×3 và các cạnh được giải
bởi một bộ thuật toán 3 bước, thường tránh được một thuật toán 32 bước
về sau. Do đó phương pháp này được dùng trong các cuộc thi có tính số
bước xoay.
Thuật toán căn bản
Hầu hết các phương pháp giải chỉ cần 4 hoặc 5 thuật toán nhưng không
hiệu quá, cần tới khoảng 100 lần xoay để giải, trong khi phương pháp
của Fridrich chỉ cần khoảng 55 lần xoay.
Philip Marshall đã phát triển thêm phương pháp của Fridrich, cần 65 lần xoay tuy nhiên chỉ cần nhớ 2 thuật toán[6].
Phương pháp phát triển bởi Ryan Heise[7]
không dạy cho người chơi một thuật toán nhất định mà chỉ ra các quy tắc
của khối để người chơi suy luận; phương pháp này có thể giải khối Rubik
trong khoảng 40 lần xoay.
Thuật toán tối ưu
Các thuật toán giải bằng tay đã đề cập tuy dễ học nhưng kém hiệu
quả. Từ khi trò chơi được phát minh đã có rất nhiều nỗ lực để tìm các
cách giải nhanh hơn.
Hiện nay vẫn chưa có cấu hình nào của khối Rubik cần nhiều hơn 20 bước để giải với các bước đi tối ưu.
Cách giải rubik tiêu chuẩn
Bước 1:
Bạn phải quay đúng một mặt,nhưng phải quay đúng luật,nghĩa là khi
quay xong 1 mặt thì sẽ hình thành tầng một xung quanh mặt vừa lắp đúng.
Đầu tiên phải xoay được một hình chữ thập, sau đó nhét các ô đúng vào 4
góc. Tất cả đều có công thức.
Bước 2:
Sau khi hoàn thành bước 1, bạn lật mặt kề mặt đúng, tầng 2 bạn hãy
để ý cái tâm,bạn phải quay sang phải hoặc trái để cho màu của tâm trùng
với màu của tầng một, cái này lẹ lắm,quay có một hai cái là xong.Sau
khi tâm trùng với tầng 1, bạn lấy 1 mặt bất kì làm mặt chính (ngoại trừ
mặt đối diện mặt làm đúng ở bước 1).Bạn lấy tầng 3 của mặt chính,quay
về một phía sao cho đủ 2 điều kiện: điều kiện 1 là màu giữa tầng 3 mặt
chính phải trùng với màu tâm mặt chính,điều kiện 2 là màu kề màu tâm
mặt chính phải trùng màu với màu tâm của mặt trái hoặc mặt phải mặt
chính.
Nếu trùng màu tâm mặt phải,công thức: giữ mặt chính,tầng 3 qua
trái,cạnh bên phải mặt chính quay xuống,tầng 3 qua phải,cạnh bên phải
mặt chính quay lên,tầng 3 qua phải,mặt chính qua phải,tầng 3 qua
trái,mặt chính qua trái.
Nếu trùng màu tâm mặt trái,công thức: giữ mặt chính,tầng 3 qua phải,
cạnh bên trái mặt chính quay xuống, tầng 3 qua trái, cạnh bên trái mặt
chính quay lên,tầng 3 qua trái, mặt chính qua trái, tầng 3 qua phải,
mặt chính qua phải.
Bước 3:
Đây là bước khó nhất trong các bước.Sau khi hoàn thành bước 2,bạn
quay rubic xuống mặt đối diện mặt đúng ở bước 1 làm mặt chính,bạn nhìn
vào 4 góc ở mặt chính,kiếm 2 góc hội tụ các điều kiện: 3 màu của góc
phải trùng với 3 màu của 3 tâm gồm: tâm mặt chính, tâm 2 mặt có chứa
góc,không nhất thiết 3 màu của góc phải nằm chính xác.Sau khi xác định
hai góc hội tụ đủ các điều kiện trên,bạn hãy xác định mặt nào chứa 2
góc đó (nằm phía trên mặt chính) và lấy mặt đó làm mặt chính.Công thức:
Mặt bên phải mặt chính quay xuống, tầng 3 quay qua trái, mặt bên phải
mặt chính quay lên, mặt chính quay qua phải, tầng 3 quay qua trái (nếu
trường hợp 2 góc hội tụ điều kiện thì đáy trái 2 lần), mặt chính quay
qua trái, mặt bên phải mặt chính quay xuống, tầng 3 quay qua phải, mặt
bên phải mặt chính quay lên,tầng 3 qua trái 2 lần.Sau khi quay xong,bạn
lật mặt đáy,nhìn 4 góc,lúc này cả 4 góc sẽ đúng vị trí nhưng chưa hẳn
chính xác.Bạn lật trở lại mặt chính vừa quay và thực hiện công thức:
mặt bên phải mặt chính quay xuống, tầng 3 quay qua trái, mặt bên phải
mặt chính quay lên, tầng 3 quay qua trái, mặt bên phải mặt chính quay
xuống, tầng 3 quay qua trái 2 lần, mặt bên phải mặt chính quay lên,
tầng 3 quay qua trái 2 lần.Lúc này góc phía dưới bên phải mặt chính
(tức là màu nằm bên phải tầng 3 của mặt chính) sẽ trùng màu với tâm mặt
chính (nếu ko trùng thì cứ thực hiện công thức trên thêm 1 lần nữa) và
màu bên phải màu trên sẽ trùng màu với tâm của mặt phải mặt chính.Lúc
này ta lấy mặt phải mặt chính làm mặt chính và ta thực hiện công thức
trên cho tới khi nào màu tầng 3 bên phải mặt chính phù hợp với điều
kiện vừa rồi (có thể mặt chính sẽ đúng màu).Ta lật mặt đối mặt chính
làm mặt chính thực hiện công thức trên và điều kiện cũng như trên.
Bước 4:
Đây là bước cuối cùng,bạn hãy chú ý mặt đáy của mặt chính ở bước 3,
lúc này nó có thể xuất hiện các hình sau:chữ X, mũi tên hoặc mặt đáy sẽ
đúng màu,chữ H
Nếu chữ X: Lấy mặt chính(mc) ở bước 3,thực hiện công thức,trái mc
lên,phải mc lên,mc quay qua phải 1 cái,trái mc xuống, phải mc
xuống,tầng 3 qua trái 2 cái,thực hiện 2 lần như thế.Lúc này mặt đáy mc
sẽ tra hình mũi tên hoặc màu đúng
Nếu mũi tên: Bạn hãy quan sát mặt đáy, quay mặt đáy về chiều 11h
(tức chiều phía trên bên trái),lật lên và lấy mặt bên phải đầu mũi tên
làm mặt chính, thực hiện công thức chữ X
Nếu mặt đáy đúng màu: Bạn hãy lấy màu bất kì trên mặt đáy làm mặt
chính (nếu mặt nào màu đã đúng thì ko lấy làm mc) và thực hiện công
thức 10 bước: trái mc lên, phải mc lên, mc quay qua phải 1 cái, trái mc
xuống, phải mc xuống, tầng 3 qua phải 1 cái, trái mc lên, phải mc
lên,mc quay qua phải 1 cái, trái mc xuống, phải mc xuống, tầng 3 qua
phải 1 cái ,trái mc lên,phải mc lên, mc qua phải 2 cái,trái mc xuống,
phải mc xuống,tầng 3 qua phải 1cái,thực hiện thêm 5 lần nữa(nhớ mc chỉ
qua phải 1 cái) ,đếm bước 10 thì tầng 3 qua phải 2 cái.
Chữ H: bạn hãy lấy mặt trên hoặc dưới chữ H (ko dc lấy mặt hai bên
chữ H làm mặt chính) làm mc,thực hiện công thức chữ X,cho đến khi 1
trong 2 mặt hai bên chữ H đúng màu, lấy mặt đó làm mc,thực hiện công
thức chữ X,thực hiện cho đến khi 2 mặt hai bên chữ H đúng màu hết.Khi
đó ta lấy mặt trên hoặc dưới chữ H làm mc, thực hiện công thức 10 bước
, lúc này khối rubik sẽ dc hoàn thiện.
[sửa] Thi đấu
Đã có rất nhiều cuộc thi xoay nhanh được tổ chức để tìm ra người có
thể giải khối Rubik nhanh nhất. Số lượng các cuộc thi ngày càng gia
tăng. Từ 2003 đến 2006 đã có 72 cuộc thi.
Giải đấu đầu tiền được tổ chức bởi Guinness ở München
ngày 13 tháng 3 năm 1981. Các khối Rubik được xoay 40 lần và được làm
trơn bởi dầu. Người chiến thắng với thành tích 38 giây là Jury
Froeschi, người München.
Vô địch thế giới
Minh Thái là người thắng trong cuộc thi vô địch thế giới về xoay Rubik lần đầu tiên được tổ chức tại Budapest vào tháng 6 năm 1982 với thành tích 22,95 giây [12]. Lúc đó anh mới 16 tuổi và là học sinh trung học ở Los Angeles.
Từ năm 2003, điểm của các cuộc thi được tính theo thành tính tốt
nhất trong 5 lần thử, tuy nhiên kết quả của mỗi lần đầu được ghi nhận. Liên đoàn Rubik thế giới chịu trách nhiệm theo dõi các thành tích tốt nhất.
Nhà vô địch thế giới hiện tại (2008) là Erik Akkersdijk với thành tích 7,08 giây lập ở giải Cộng hòa Séc mở rộng[13].
Thành tích trung bình cao nhất thế giới thuộc về Yu Nakajima, trung
bình 11.28 giây vào 4 tháng 5 năm 2008. Yu cũng chính là nhà vô địch
thế giới năm 2007.
Các cuộc thi khác
Ngoài giải xoay nhanh, một số hình thức thi đấu khác cũng được tổ chức bao gồm
Trong đó, liên đoàn Rubik thế giới chỉ chính thức quản lý giải bịt mắt, một tay và giải chân[18].
Phần mềm
Hiện nay đã có rất nhiều phần mềm mô phỏng khối lập phương Rubik và
nhiều chức năng khác. Chúng có thể rơi vào nhiều thể loại trong số các
thể loại sau:
Các phần mềm này xử lý rất nhiều dạng Rubik khác ngoài 3×3×3, kể cả
các dạng không thể xây dựng trong thực tế như Rubik 4 chiều và 5 chiều.
Hình ảnh
Các phiên bản Rubik. Từ trái qua: Rubik báo thù, Rubik tiêu chuẩn, Khối dành cho giáo sư và Khối bỏ túi
Rubik hiện đại thường làm bằng chất dẻo, có bốn phiên bản chính là: 2×2×2 ("Khối bỏ túi"), 3×3×3 (Khối tiêu chuẩn), 4×4×4 ("Rubik báo thù") và 5×5×5 ("Khối dành cho giáo sư"). Gần đây các khối lớn hơn đã xuất hiện trên thị trường như khối 6×6×6 và 7×7×7 (V-Cube 6 và V-Cube 7).
Từ khối Rubik tiêu chuẩn, người ta đã tạo ra các khối có dạng hình học khác như tứ diện (Pyraminx), bát diện (Skewb Diamond), khối 12 mặt (Megaminx) và khối 20 mặt (Dogic);
hoặc các khối không lập phương như 2×3×4, 3×3×5, 1×2×3. Thậm chí hiện
nay với máy tính, người ta đã có thể mô phỏng các khối Rubik trong không gian n chiều mà bình thường không thể tạo ra ngoài thực tế.
Quá trình phát triển
Năm 1970, Larry Nichols tạo ra khối 2×2×2 "Trò chơi với các miếng có thể xoay theo khối", các khối được liên kết với nhau bằng nam châm và sáng tạo này đã được cấp bằng sáng chế 3 655 201 của Mỹ vào ngày 11 tháng 04 năm 1972.
Ngày 16 tháng 1 1971, Frank Fox được cấp bằng sáng chế của Anh số 1 344 259 cho "khối 3×3×3 hình cầu".
Bản tin Rubik của Ideal Toys trong các năm 1982, 1983
"Lập phương Ma thuật" được Ernő Rubik phát minh vào năm 1974 bằng sự đam mê hình học
và nghiên cứu những mẫu dạng ba chiều. Rubik được cấp bằng sáng chế của
Hungary số HU170062 vào năm 1975 nhưng không đăng ký phát minh này ở
các nước khác. Lô hàng đầu tiên được sản xuất vào năm 1977 và được bán
ở Budapest.
Khối của Rubik được làm bằng cách gắn các mảnh nhựa rời với các khe có
thể trượt trên nhau nên rẻ hơn thiết kế bằng nam châm của Nichols.
Tháng 9 năm 1979, Ideal Toys ký hợp đồng để mang trò chơi này đến với
các nước phương Tây, trò chơi ra mắt ở Luân Đôn, Paris, Nürnberg và New York trong tháng 1 và 2 năm 1980.
Sau đó ít lâu, nhà sản xuất quyết định đổi tên cho nó. Hai tên "The
Gordian Knot" và "Inca Gold" được đề xuất, nhưng cuối cùng công ty
quyết định lấy tên "Khối Rubik", và lô hàng đầu tiên được xuất khẩu từ
Hungary vào tháng 5 năm 1980.
Tận dụng sự "cháy hàng" ban đầu của món đồ chơi này, nhiều sự bắt chước xuất hiện. Năm 1984, Larry Nichols
thông qua Moleculon Research kiện Ideal Toys vì đã vi phạm bằng sáng
chế số US3655201. Vụ kiện thành công với khối 2×2×2 nhưng thất bại với
khối 3×3×3.
Một người Nhật tên Terutoshi Ishigi cũng nhận một bằng sáng chế của Nhật
cho một cơ chế tương tự Rubik, trong khi bằng sáng chế của Rubik đang
được duyệt (bằng sáng chế JP55-0081912 vào năm 1976, năm thứ 55 triều
Showa). Vào thời gian này, Nhật cấp bằng sáng chế cho các công nghệ
chưa được biết đến ở Nhật[2]. Do đó, phát minh của Ishigi được coi là độc lập với các phát minh trên.
Gần đây, nhà phát minh người Hy Lạp, Panagiotis Verdes đã nhận được bằng sáng chế
cho phương thức sản xuất có thể tạo ra các khối Rubik lớn tới 11×11×11.
Nó bao gồm những cơ chế cải tiến từ 3×3×3, 4×4×4 và 5×5×5 để có thể
xoay nhanh hơn mà không bị vỡ như thiết kế hiện tại. Từ 19 tháng 6 năm 2008,
các khối 5×5×5, 6×6×6 và 7×7×7 đã được bày bán trên thị trường. Ngoài
ra còn có nhiều loại rubik khác như rubik hình tròn, rubik tam giác,
rubik ma thuật, rubik kim cương, rubik đa chiều, v.v...
Các hình dạng không vuông đã đề cập được tạo ra bởi Mèffert's Puzzles, công ty do Uwe Mèffert sáng lập.
Cơ chế
Rubik được tháo rời
Khối Rubik tiêu chuẩn có chiều dài mỗi cạnh 5,7 cm, được tạo thành
từ 26 khối nhỏ hơn. Phần giữa của mỗi mặt trong 6 mặt chỉ là một hình
vuông gắn với các cơ chế khung làm lõi, đóng vai trò khung sườn cho
cách mảnh khác dựa vào và xoay quanh. Khối Rubik có thể được tháo ra dễ
dàng, thường bằng cách xoay một mặt 45° và lắc một khối ở cạnh cho tới
khi nó rời ra. Tính chất này thường được dùng để "giải" khối Rubik.
Ở các cạnh của khối Rubik, các mảnh có các màu khác nhau ở các mặt.
tuy nhiên không phải mọi tổ hợp màu đều có trên khối; như với khối
Rubik tiêu chuẩn, mặt xanh lá đối diện với mặt xanh dương nên sẽ không
có cạnh giáp xanh lá và xanh dương.
Trong số 1982 của tờ Scientific American, Douglas Hofstadter
đã chỉ ra cách tô màu khối Rubik để làm nổi bật các cạnh thay vì các
mặt như cách tô tiêu chuẫn. Tuy nhiên ý tưởng này hiện vẫn chưa được
thương mại hóa.
Số hoán vị
Một khối Rubik tiêu chuẩn (3×3×3) có thể có 8!
cách sắp xếp các khối ở cạnh, 7 khối có thể được xoay tùy ý vì chiều
của khối thứ 8 phụ thuộc 7 khối còn lại; tạo ra 3⁷ hoán vị. Các khối ở
cạnh có 12!/2 hoán vị. Xem chiều của 1 khối ở cạnh là cố định, chiều
của 11 khối có thể độc lập với nhau; tạo ra 2¹¹ hoán vị. Tổng cộng khối
Rubik có:
[3]
Tức 43.252.003.274.489.856.000, hay hơn bốn mươi ba tỷ tỷ, hoán vị
khác nhau. Nói một cách hình tượng, khi coi mỗi khối Rubik tượng trưng
cho một cách hoán vị và xếp liên tiếp các khối Rubik này (có kích thước
tiêu chuẩn là 5,7 cm) thành một dãy thì dãy Rubik sẽ kéo dài xấp xỉ 261
năm ánh sáng. Nếu xếp sát nhau tạo thành một bề mặt (cong) thì số Rubik này sẽ phủ kín bề mặt Trái Đất 256 lần.
Con số trên chỉ mới là số các trạng thái có thể đạt tới bằng cách
xoay các mặt. Nếu tính cả các trang thái có thể có do tháo rời khối
Rubik và lắp lại thì con số lên đến:
Hay 519.024.039.293.878.272.000 (519 tỷ tỷ) hoán vị hay 12
lần nhiều hơn. Mỗi hoán vị trong tập lớn hơn này có thể xoay về một
trong 12 vị trí khác nhau (gọi là "quỹ đạo"). Lời giải bình thường của
khối Rubik chính là một trong 12 vị trí này. Để có một khái niệm sâu
hơn, xem thêm lý thuyết nhóm.
Tuy có nhiều khả năng nhưng bài toán thường chỉ được quảng cáo đến
mức có "hàng tỷ" vị trí, để giảm áp lực tâm lý cho người chơi. Thực tế,
đã có tuyên bố rắng mọi hoán vị có thể giải được của khối Rubik có thể
được giải trong 22 bước hoặc ít hơn[4].
Cách giải
Xem cách giải cụ thể cho khối 3×3×3 ở Wikibooks (tiếng Anh) How to solve the Rubik's CubeXem cách giải cụ thể cho khối n×n×n ở Wikibooks (tiếng Anh) How To Solve Any NxNxN Rubik's Cube
Có rất nhiều cách giải khác nhau đã được tìm ra. Cách giải thông dụng nhất do David Singmaster, một nhà toán học người Anh công bố trong cuốn Notes on Rubik's "Magic Cube" năm 1981[5].
Phương pháp này giải khối Rubik từng tầng một. Trong thực tế, phương
pháp này có thể xoay được dưới 1 phút và vẫn phù hợp với người mới bắt
đầu. Phương pháp này thường được dạy bằng hình ảnh cùng với hướng dẫn
xoay từng bước.
Về các phương pháp khác, xem phần thuật toán bên dưới.
Ghi bước đi
Hầu hết các hướng dẫn giải đều dùng cách ghi chú của Singmaster,
thường gọi là "Cách ghi chú Singmaster" hoặc "Ghi hướng xoay". Cách ghi
chú này quy ước các mặt theo phương nhìn của người chơi và xoay theo
chiều kim đồng hồ. Tính tương đối của các ghi chú này so với vị trí các
mặt làm cho các lời giải linh hoạt hơn và có thể áp dụng được trong
nhiều trường hợp tương tự nhau.
Cách ghi chú này được dịch ra tiếng Việt như sau:
Mặt lưng (L)- | Mặt dưới (D) - | Mặt mặt (M) - | Mặt trái (T) - | Mặt phải (P) - | Mặt trên (N) - |
- U. Khi các kí tự này được viết cùng với dấu nháy đơn ' nghĩa là xoay
theo chiều ngược với hình vẽ (xoay ngược chiều kim đồng hồ). Ghi chú
của các mặt có thể có một con số theo sau, đó là số lần phải quay mặt
này. Ví dụ N2 nghĩa là quay mặt trên 2 lần (quay 180 độ).
Ghi bước đi mở rộng
Với các khối lớn hơn 3×3×3, các ký tự chữ thường được dùng để chỉ
các lớp ở giữa, các ký tự hoa được dùng để chỉ các lớp ở ngoài như bình
thường.
[sửa] Các cách ghi chú khác
Thường dựa trên các ghi chú của Singmaster, với các khác biệt sau:
- dùng x, y, z để chỉ chiều quay theo 3 trục tọa độ thay vì ghi mặt
- dùng "trái", "phải" để chỉ hướng quay thay vì dấu '
- dùng +, -, ++, --, ... để chỉ hướng quay và số lần quay.
Thuật toán
Trong thuật ngữ của người chơi Rubik, một "thuật toán" (khái niệm này khác với thuật toán
trong toán học) là một bộ các bước để thực hiện một công việc nào đó:
chuyển từ trạng thái ban đầu đến trạng thái mong muốn. Các phương pháp
giải khác nhau sử dụng các thuật toán khác nhau; với mỗi thuật toán cần
nắm được công dụng và cách dùng.
Hầu hết thuật toán chỉ ảnh hưởng một phần nhỏ của khối mà không thay
đổi các phần khác, chẳng hạn như xoay các khối ở góc, đổi vị trí các
khối ở cạnh v.v. Một số thuật toán có tác dụng phụ làm thay đổi vị trí
các mảnh khác lại thường đòi hỏi ít nước đi hơn và được dùng nhiều khi
bắt đầu giải (chưa cần quan tâm tới vị trí các mảnh khác).
Thuật toán xoay nhanh
Các thuật toán xoay nhanh được tạo ra để giải khối Rubik trong thời
gian nhanh nhất có thể. Phương pháp thường dùng nhất được phát triển
bởi Jessica Fridrich,
là phương pháp giải theo từng lớp có kết hợp các bước so với phương
pháp thông thường tuy nhiên đòi hỏi người sử dụng phải nhớ một lượng
thuật toán khá lớn (120 thuật toán).
Một phương pháp khác được phát triển bởi Lars Petruss
bao gồm việc giải một khối 2×2×2 rồi đến 2×2×3 và các cạnh được giải
bởi một bộ thuật toán 3 bước, thường tránh được một thuật toán 32 bước
về sau. Do đó phương pháp này được dùng trong các cuộc thi có tính số
bước xoay.
Thuật toán căn bản
Hầu hết các phương pháp giải chỉ cần 4 hoặc 5 thuật toán nhưng không
hiệu quá, cần tới khoảng 100 lần xoay để giải, trong khi phương pháp
của Fridrich chỉ cần khoảng 55 lần xoay.
Philip Marshall đã phát triển thêm phương pháp của Fridrich, cần 65 lần xoay tuy nhiên chỉ cần nhớ 2 thuật toán[6].
Phương pháp phát triển bởi Ryan Heise[7]
không dạy cho người chơi một thuật toán nhất định mà chỉ ra các quy tắc
của khối để người chơi suy luận; phương pháp này có thể giải khối Rubik
trong khoảng 40 lần xoay.
Thuật toán tối ưu
Các thuật toán giải bằng tay đã đề cập tuy dễ học nhưng kém hiệu
quả. Từ khi trò chơi được phát minh đã có rất nhiều nỗ lực để tìm các
cách giải nhanh hơn.
- Năm 1982, David Singmaster và Alexander Frey đã dự đoán rằng số bước cần thiết để giải khối Rubik là "Khoảng dưới 20"
- Năm 2007 Daniel Kunkle và Gene Cooperman dùng máy tính và các
phương pháp tìm kiểm để cho thấy mọi cấu hình của khối 3×3×3 có thể
được giải trong 26 bước[8][9] - Năm 2008, Tomas Rokicki giảm con số này xuống còn 22 bước[10][11]
Hiện nay vẫn chưa có cấu hình nào của khối Rubik cần nhiều hơn 20 bước để giải với các bước đi tối ưu.
Cách giải rubik tiêu chuẩn
Bước 1:
Bạn phải quay đúng một mặt,nhưng phải quay đúng luật,nghĩa là khi
quay xong 1 mặt thì sẽ hình thành tầng một xung quanh mặt vừa lắp đúng.
Đầu tiên phải xoay được một hình chữ thập, sau đó nhét các ô đúng vào 4
góc. Tất cả đều có công thức.
Bước 2:
Sau khi hoàn thành bước 1, bạn lật mặt kề mặt đúng, tầng 2 bạn hãy
để ý cái tâm,bạn phải quay sang phải hoặc trái để cho màu của tâm trùng
với màu của tầng một, cái này lẹ lắm,quay có một hai cái là xong.Sau
khi tâm trùng với tầng 1, bạn lấy 1 mặt bất kì làm mặt chính (ngoại trừ
mặt đối diện mặt làm đúng ở bước 1).Bạn lấy tầng 3 của mặt chính,quay
về một phía sao cho đủ 2 điều kiện: điều kiện 1 là màu giữa tầng 3 mặt
chính phải trùng với màu tâm mặt chính,điều kiện 2 là màu kề màu tâm
mặt chính phải trùng màu với màu tâm của mặt trái hoặc mặt phải mặt
chính.
Nếu trùng màu tâm mặt phải,công thức: giữ mặt chính,tầng 3 qua
trái,cạnh bên phải mặt chính quay xuống,tầng 3 qua phải,cạnh bên phải
mặt chính quay lên,tầng 3 qua phải,mặt chính qua phải,tầng 3 qua
trái,mặt chính qua trái.
Nếu trùng màu tâm mặt trái,công thức: giữ mặt chính,tầng 3 qua phải,
cạnh bên trái mặt chính quay xuống, tầng 3 qua trái, cạnh bên trái mặt
chính quay lên,tầng 3 qua trái, mặt chính qua trái, tầng 3 qua phải,
mặt chính qua phải.
Bước 3:
Đây là bước khó nhất trong các bước.Sau khi hoàn thành bước 2,bạn
quay rubic xuống mặt đối diện mặt đúng ở bước 1 làm mặt chính,bạn nhìn
vào 4 góc ở mặt chính,kiếm 2 góc hội tụ các điều kiện: 3 màu của góc
phải trùng với 3 màu của 3 tâm gồm: tâm mặt chính, tâm 2 mặt có chứa
góc,không nhất thiết 3 màu của góc phải nằm chính xác.Sau khi xác định
hai góc hội tụ đủ các điều kiện trên,bạn hãy xác định mặt nào chứa 2
góc đó (nằm phía trên mặt chính) và lấy mặt đó làm mặt chính.Công thức:
Mặt bên phải mặt chính quay xuống, tầng 3 quay qua trái, mặt bên phải
mặt chính quay lên, mặt chính quay qua phải, tầng 3 quay qua trái (nếu
trường hợp 2 góc hội tụ điều kiện thì đáy trái 2 lần), mặt chính quay
qua trái, mặt bên phải mặt chính quay xuống, tầng 3 quay qua phải, mặt
bên phải mặt chính quay lên,tầng 3 qua trái 2 lần.Sau khi quay xong,bạn
lật mặt đáy,nhìn 4 góc,lúc này cả 4 góc sẽ đúng vị trí nhưng chưa hẳn
chính xác.Bạn lật trở lại mặt chính vừa quay và thực hiện công thức:
mặt bên phải mặt chính quay xuống, tầng 3 quay qua trái, mặt bên phải
mặt chính quay lên, tầng 3 quay qua trái, mặt bên phải mặt chính quay
xuống, tầng 3 quay qua trái 2 lần, mặt bên phải mặt chính quay lên,
tầng 3 quay qua trái 2 lần.Lúc này góc phía dưới bên phải mặt chính
(tức là màu nằm bên phải tầng 3 của mặt chính) sẽ trùng màu với tâm mặt
chính (nếu ko trùng thì cứ thực hiện công thức trên thêm 1 lần nữa) và
màu bên phải màu trên sẽ trùng màu với tâm của mặt phải mặt chính.Lúc
này ta lấy mặt phải mặt chính làm mặt chính và ta thực hiện công thức
trên cho tới khi nào màu tầng 3 bên phải mặt chính phù hợp với điều
kiện vừa rồi (có thể mặt chính sẽ đúng màu).Ta lật mặt đối mặt chính
làm mặt chính thực hiện công thức trên và điều kiện cũng như trên.
Bước 4:
Đây là bước cuối cùng,bạn hãy chú ý mặt đáy của mặt chính ở bước 3,
lúc này nó có thể xuất hiện các hình sau:chữ X, mũi tên hoặc mặt đáy sẽ
đúng màu,chữ H
Nếu chữ X: Lấy mặt chính(mc) ở bước 3,thực hiện công thức,trái mc
lên,phải mc lên,mc quay qua phải 1 cái,trái mc xuống, phải mc
xuống,tầng 3 qua trái 2 cái,thực hiện 2 lần như thế.Lúc này mặt đáy mc
sẽ tra hình mũi tên hoặc màu đúng
Nếu mũi tên: Bạn hãy quan sát mặt đáy, quay mặt đáy về chiều 11h
(tức chiều phía trên bên trái),lật lên và lấy mặt bên phải đầu mũi tên
làm mặt chính, thực hiện công thức chữ X
Nếu mặt đáy đúng màu: Bạn hãy lấy màu bất kì trên mặt đáy làm mặt
chính (nếu mặt nào màu đã đúng thì ko lấy làm mc) và thực hiện công
thức 10 bước: trái mc lên, phải mc lên, mc quay qua phải 1 cái, trái mc
xuống, phải mc xuống, tầng 3 qua phải 1 cái, trái mc lên, phải mc
lên,mc quay qua phải 1 cái, trái mc xuống, phải mc xuống, tầng 3 qua
phải 1 cái ,trái mc lên,phải mc lên, mc qua phải 2 cái,trái mc xuống,
phải mc xuống,tầng 3 qua phải 1cái,thực hiện thêm 5 lần nữa(nhớ mc chỉ
qua phải 1 cái) ,đếm bước 10 thì tầng 3 qua phải 2 cái.
Chữ H: bạn hãy lấy mặt trên hoặc dưới chữ H (ko dc lấy mặt hai bên
chữ H làm mặt chính) làm mc,thực hiện công thức chữ X,cho đến khi 1
trong 2 mặt hai bên chữ H đúng màu, lấy mặt đó làm mc,thực hiện công
thức chữ X,thực hiện cho đến khi 2 mặt hai bên chữ H đúng màu hết.Khi
đó ta lấy mặt trên hoặc dưới chữ H làm mc, thực hiện công thức 10 bước
, lúc này khối rubik sẽ dc hoàn thiện.
[sửa] Thi đấu
Đã có rất nhiều cuộc thi xoay nhanh được tổ chức để tìm ra người có
thể giải khối Rubik nhanh nhất. Số lượng các cuộc thi ngày càng gia
tăng. Từ 2003 đến 2006 đã có 72 cuộc thi.
Giải đấu đầu tiền được tổ chức bởi Guinness ở München
ngày 13 tháng 3 năm 1981. Các khối Rubik được xoay 40 lần và được làm
trơn bởi dầu. Người chiến thắng với thành tích 38 giây là Jury
Froeschi, người München.
Vô địch thế giới
Minh Thái là người thắng trong cuộc thi vô địch thế giới về xoay Rubik lần đầu tiên được tổ chức tại Budapest vào tháng 6 năm 1982 với thành tích 22,95 giây [12]. Lúc đó anh mới 16 tuổi và là học sinh trung học ở Los Angeles.
Từ năm 2003, điểm của các cuộc thi được tính theo thành tính tốt
nhất trong 5 lần thử, tuy nhiên kết quả của mỗi lần đầu được ghi nhận. Liên đoàn Rubik thế giới chịu trách nhiệm theo dõi các thành tích tốt nhất.
Nhà vô địch thế giới hiện tại (2008) là Erik Akkersdijk với thành tích 7,08 giây lập ở giải Cộng hòa Séc mở rộng[13].
Thành tích trung bình cao nhất thế giới thuộc về Yu Nakajima, trung
bình 11.28 giây vào 4 tháng 5 năm 2008. Yu cũng chính là nhà vô địch
thế giới năm 2007.
Các cuộc thi khác
Ngoài giải xoay nhanh, một số hình thức thi đấu khác cũng được tổ chức bao gồm
- Giải bịt mắt[14]
- Giải đồng đội (một người bị bịt mắt và người còn lại hướng dẫn)
- Giải dưới nước (giải trong một lần thở dưới nước)[15]
- Giải một tay[16]
- Giải bằng chân[17]
Trong đó, liên đoàn Rubik thế giới chỉ chính thức quản lý giải bịt mắt, một tay và giải chân[18].
Phần mềm
Hiện nay đã có rất nhiều phần mềm mô phỏng khối lập phương Rubik và
nhiều chức năng khác. Chúng có thể rơi vào nhiều thể loại trong số các
thể loại sau:
- Tính giờ (ghi lại các thông số của người dùng khi chơi)
- Giải (thường bao gồm cả tính năng xáo trộn khối trước khi chơi)
- Minh họa (tạo ra hình minh họa từ bước đi)
- Phân tích (đánh giá các bước đi của người dùng)
- Hướng dẫn chơi
Các phần mềm này xử lý rất nhiều dạng Rubik khác ngoài 3×3×3, kể cả
các dạng không thể xây dựng trong thực tế như Rubik 4 chiều và 5 chiều.
Rubik 4 chiều 34, đã xáo trộn. | Rubik 5 chiều 35 đã được giải xong. |
Cấu tạo | Rubik 2x2x2 | Rubik 2x2x2 xoay | |
Rubik tinh thể kim cương | Rubik 5x5x5 | ||
Rubik Kim tự tháp | |||
Khối 12 mặt | Rubik ma thuật | Rubik ma thuật đã xoay xong | |