[科普中国]-给魔术师当托儿，要先学好数学

作者：Albert_JIAO

在《赌神》系列电影里，赌神可以让手里的五张牌鬼使神差地变为一套皇家同花顺（也就是同花色的 10、J 、Q、K、A 五张牌）。皇家同花顺是德州扑克赌桌上的绝杀，手里捏一把皇家同花顺便无人能敌了。

作为一个数学魔术控，我可没有传说中赌王、赌神、赌圣们那样的必杀技。不过，我也有我自己的绝招。如果给我五张皇家同花顺的扑克牌，把它们背面朝上排成一列，我可以“读出”每张牌各是哪一个。

魔术是这样表演的。首先，魔术师本人按兵不动，由魔术师的助手先上场。他手里拿着这五张牌，现场找一位观众，让观众把这五张牌的顺序洗乱。洗完牌后，把五张牌正面朝上依次摆在桌面上，以验证这些牌都没有被更换过。

观众把洗好的牌依次放在桌面上。

验证环节结束之后，这五张牌全都被翻了过去。

桌上的五张牌都被翻了过去。

然后魔术师的助手说：“其实我并不是真正的魔术师，下面请大师登场。”魔术师上场后，助手继续说：“首先，我抛砖引玉，随便翻开两张牌。比如第三张——是张 K；再翻开第四张——一张 10。剩下三张背面朝上的牌都是什么，就要看魔术大师的功力了。”

助手翻开了一张 K。

助手翻开了一张 10。

大师走到扑克牌前，淡定地说：最左边一张是 A，最右边这张则是 J，剩下这张就是 Q 了。翻开这三张牌，大师说的果然没错，三张扑克牌全部命中。

漂亮的暗号系统

大师读牌功力的秘密到底在哪里呢？有人或许已经猜到，他的助手一定逃脱不了干系，因为助手知道五张背面朝上的牌都是什么牌，他一定用某种暗号告知了“大师”本人。在魔术中，助手要先翻开其中两张牌，但究竟翻开哪两张牌，这可以由助手自己来选择。这种选择本身很可能就是助手和大师之间交流用的暗语。

问题的难点就是，如何构造一种暗号系统，使得助手总能选出适当的两张牌翻过来，就能让魔术师立即知道剩下的三张牌是什么。

助手和魔术师之间的暗语非常巧妙。助手先从扑克牌中找出三张点数依次增大或者依次减小的牌。在上面的例子中，观众洗好的牌从左至右依次是 A、Q、K、10、J，其中 A、Q、J 就是三张点数逐一减小的牌（当然，可能还有别的符合要求的组合）。然后，助手翻开另外两张牌（一张 K 和一张 10），并且先翻开大的那张，再翻开小的那张，暗示魔术师剩下的三张牌是递减排列的。魔术师便可推出，剩下的三张牌依次是 A、Q、J 了。

我们再举一个例子。如果观众洗好的牌依次是 Q、10、A、J、K，魔术师助手可以先翻开数值较小的 Q，再翻开 A，告诉魔术师剩下的 10、J、K 是按照递增方式排列的。

暗号系统总适用

这个策略确实很妙，但是，万一观众洗好的扑克牌序列中没有三张递增或者递减的牌该咋办？我们可以证明，这种情况是绝不会发生的。 对于一个由 5 个不相同的数字组成的数列，无论怎样排列，从中一定可以找到一个长度为 3 的递增子序列或者递减子序列 。假设五张牌的数值分别是 a、b、c、d、e，不妨假设 a b，由对称性，下面的推理同样适用）。只要 c、d、e 中有一个数比 b 大，它就和 a、b 一起构成了递增序列。现在，我们只需要考虑 c、d、e 都比 b 小的情况。如果 c > d，b、c、d 就会构成一个递减数列；如果 d > e，b、d、e 也会构成一个递减数列；如果以上两条都不满足，c、d、e 本身就变成一个递增序列了。可见，无论如何，长度为 3 的单调序列都是避免不了的。

利用鸽笼原理，我们不难证明这个定理的扩展形式： n 2 + 1 个不同的数组成了一个数列，则一定能从中挑选 n + 1 个数，它们正好是依次增大或者依次减小的。

排版：陈小砖 题图来源：max pixel 本文版权属于果壳（ guokr.com ）。