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六颗骰子,一个接一个地循环相克

同时掷两颗骰子,点数大的获胜。现在让每个面可以取1到6中的任意值,允许重复:一颗骰子可能是1、1、2、5、5、5。能否把六颗这样的骰子排成一列,使每一颗都胜过下一颗,最后一颗又胜过第一颗,而且每次获胜的优势都尽可能小?蒙特利尔大学的Terry Easlick借助计算机证明:使这一点成立的最小面数是六,而且恰好有两种做法。

三十六局中赢十九局

两颗六面骰子之间的一次对决有36种等可能的结果:一颗骰子的每个面对另一颗骰子的每个面。要占上风,一颗骰子必须在其中超过一半的结果中点数更大,也就是至少19次:概率为19/36,约52.8%。面数为n时,共有n × n种配对,最小的获胜优势就是超过其一半的最小整数:五个面时为25中的13,十个面时为100中的51。

以骰子(1, 1, 2, 5, 5, 5)和(1, 3, 4, 4, 4, 4)为例,计数方法如下。三个5胜过第二颗骰子的全部六个面:18种配对。2胜过第二颗骰子唯一的1:再多一种,共19种。两个1与那个1打平,其余15种配对由第二颗骰子获胜。第一颗骰子在36局对决中赢了19局:这是最微弱的胜利。

以循环方式相互战胜的骰子被称为非传递骰子:循环中的每颗骰子都会被另一颗战胜,因此没有一颗是最强的。Easlick的问题是:在n个面上取值为1到n时,对哪些n,n颗骰子能构成这样的循环,使每一局对决都恰好以最小优势获胜,并且在这一优势下,所有n面骰子中都不存在由超过n颗骰子组成的循环?

一张包含所有可能骰子的地图

在这里,一颗骰子就是一个不计顺序的数值列表。六个面时共有462颗,普通骰子(1, 2, 3, 4, 5, 6)也在其中。Easlick把每一颗画成一个点,只要一颗骰子在36局对决中恰好赢19局,就从它向另一颗画一个箭头。六个面时,共有5491个箭头。

这样,一个骰子循环就是一条回到起点的箭头路径。为了找到它们,他用Julia语言编写的程序把这张地图拆分成强连通分量:即其中任意一颗骰子都能沿着箭头到达任意另一颗、并且还能再返回的最大群组。每个循环都完全位于某一个这样的群组内,因此只含一颗骰子的群组不包含任何循环。拆分使用的是1972年发表的Tarjan算法。作者说明,他用GPT-5.6帮忙编写了脚本,而数学上的想法完全是他自己的。

没有,没有,没有,然后是两个

面数为三时,共有10颗可能的骰子,只有3个箭头;面数为四时,35颗骰子,67个箭头;面数为五时,126颗骰子,620个箭头。在这三种情况下,每个群组都只含一颗骰子:在最小优势下,根本不存在循环。

面数为六时,462颗骰子中有448颗孤立存在。其余14颗组成两个各含七颗骰子的家族,每个家族由10个箭头相连。在每个家族内部,程序列出了四个循环:三个由三颗骰子组成,一个由六颗骰子组成。没有任何循环能包含超过七颗骰子,而每个家族中循环的完整列表里没有一个是七颗的,作者指出这一点也可以手工验证。这两个六颗骰子的循环是仅有的两个。第一个是:

(1, 1, 2, 5, 5, 5) → (1, 3, 4, 4, 4, 4) → (2, 2, 2, 3, 6, 6) → (1, 1, 2, 5, 5, 6) → (1, 3, 3, 4, 4, 4) → (2, 2, 3, 3, 3, 6) → 回到第一颗。

第二个是:

(1, 1, 4, 5, 5, 5) → (3, 3, 3, 3, 4, 6) → (2, 2, 2, 5, 6, 6) → (1, 4, 4, 4, 5, 5) → (3, 3, 3, 4, 4, 6) → (1, 2, 2, 5, 6, 6) → 回到第一颗。

由七个方框组成的示意图,每个方框里有一列六个数字,方框之间用箭头相连;六个红色箭头沿边缘构成一个闭合的环。

第一个七颗骰子的家族:每个方框代表一颗骰子,标有它在计算机列表中的编号和六个面。一个箭头表示“在36局对决中恰好赢19局”。红色为六颗骰子的循环。——SCC 1示意图,第5页,Easlick(2026),arXiv:2610.40321。

两个解,一次镜像

这两个循环并不是相互独立的。把每个面的数值v换成7 − v:1变成6,2变成5,3变成4,反之亦然。原来较大的面现在变小了,因此每个箭头都反转方向。Easlick证明,这一替换把第一个家族变成了第二个家族:第一个循环倒过来读,就变成了第二个循环。把这一替换做两次,每颗骰子都回到原样。

超过六个面,循环比骰子面数还长

从七个面到十个面,情况恰好相反:循环很多,但太长了。面数为七时,1716颗可能的骰子中有1081颗组成一个巨大的家族,搜索找到的第一个长循环连接了14颗骰子。面数为八时,一个4321颗骰子的家族中有一个29颗骰子的循环;面数为九时,20451颗骰子,有一个10颗骰子的循环。面数为十时,共有92378颗骰子和157244770个箭头,一个81791颗骰子的家族中有一个110颗骰子的循环。这些是搜索找到的第一批长度超过面数的循环,而不是最长的循环。

由110个小方框组成的网格,每个方框里有十个数字,箭头以蛇形连接各方框,最后回到起点。

一个由110颗十面骰子组成的循环,每一颗都在100局对决中恰好赢51局胜过下一颗。逐行沿箭头前进;左侧的线把循环闭合。——n = 10情形的示意图,第10页,Easlick(2026),arXiv:2610.40321。

这样的循环违反了第二个条件:循环中的骰子数不得多于面数。Easlick猜想,六不仅是具有这一性质的最小面数,也是最大面数。

十一个面,仍然够不着

这一猜想仍未解决。面数为十一时,共有352716颗可能的骰子;面数为十二时,有1352078颗。这两种情况的计算都要耗费长得多的时间;论文没有报告对它们的任何计算,作者只是推测它们同样隐藏着至少12颗和13颗骰子的循环。论文最后讲到了这个问题的由来:作者曾和妈妈一起玩过的许多次掷骰子游戏。