使用Python Pytwisty庫求解魔方

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魔方，一個3D機械益智玩具，自從1974年發明以來就一直吸引著益智愛好者。解決魔方可能是一項艱鉅的任務，但藉助Python和Pytwisty庫的力量，我們可以開發出一個高效且優雅的魔方求解器。在這篇博文中，我們將探討使用Python和Pytwisty構建魔方求解器的逐步過程。我們將涵蓋建立能夠解決任何打亂的魔方配置的功能求解器所需的必要演算法、資料結構和技術。

前提條件

在我們深入實現之前，請確保您已準備好以下前提條件：

• 您的機器上安裝了Python 3.x。

• 已安裝Pytwisty庫。您可以使用pip安裝它：pip install pytwisty。

瞭解Pytwisty

Pytwisty是一個Python庫，它提供了一個高階介面來操作和求解魔方。它支援各種魔方尺寸，並提供了一個高效的求解演算法。要開始使用，請匯入pytwisty模組：

import pytwisty

初始化魔方

為了求解魔方，我們需要從pytwisty模組建立一個Cube類的例項。我們可以使用Cube建構函式初始化魔方，該建構函式接受一個可選引數，指定魔方的尺寸（預設為3x3）：

cube = pytwisty.Cube()

打亂魔方

為了模擬一個打亂的魔方，我們可以使用Cube類的scramble()方法。此方法接受一個字串作為輸入，表示一系列魔方移動。例如，要使用20個隨機移動來打亂魔方，我們可以使用：

scramble_moves = cube.scramble(20)

求解魔方

現在我們已經有了一個打亂的魔方，我們可以使用Pytwisty的求解演算法來找到解決方案。Cube類的solve()方法返回一個求解魔方的移動列表。我們可以對初始化的魔方物件呼叫此方法：

solution_moves = cube.solve()

視覺化解決方案

為了視覺化解決方案，我們可以列印求解演算法返回的移動列表。每個移動都由一個字串表示，該字串由一個面（U、D、L、R、F、B）和一個可選的修飾符（'、2或''）組成。例如，“U”表示順時針旋轉90度上層，“F'”表示逆時針旋轉90度前層，“R2”表示旋轉180度右層。

print("Solution:", solution_moves)

整合在一起

讓我們看看使用Pytwisty打亂和求解魔方的完整程式碼：

import pytwisty

# Initialize the cube
cube = pytwisty.Cube()

# Scramble the cube
scramble_moves = cube.scramble(20)

# Solve the cube
solution_moves = cube.solve()

# Print the solution
print("Scramble:", scramble_moves)
print("Solution:", solution_moves)

求解魔方

為了求解魔方，我們將採用逐層的方法。我們將首先求解第一層，然後是第二層，最後是最後一層。對於每一層，我們將遵循一系列演算法來操作魔方的狀態，直到該層被求解。

為了求解第一層，我們可以使用CFOP（十字、F2L、OLL、PLL）方法，這是一種在速擰魔方者中廣泛使用的方法。CFOP方法涉及幾個不同步驟的演算法。我們可以使用Pytwisty預定義的演算法，或者使用Pytwisty的演算法表示法建立我們自定義的演算法。

一旦第一層被求解，我們就可以使用保留已求解第一層的演算法移動到第二層。

最後，我們透過首先使用稱為OLL（最後一層的定向）的演算法定向最後一層的角塊，然後使用PLL（最後一層的排列）演算法排列角塊和稜塊來處理最後一層。

整合和測試

在實現求解演算法之後，我們可以建立一個使用者友好的介面來輸入魔方的配置並顯示解決方案。我們可以使用Python的GUI庫，例如Tkinter或Pygame，來建立介面。

為了驗證求解器的功能，我們可以使用Pytwisty的隨機打亂函式打亂魔方，並驗證求解器是否產生正確的解決方案。

列印輸出將類似於：

Scramble: ["R2", "F'", "L'", "B2", "R2", "F", "U2", "R2", "F2", "B", "R'", "F2", "U", "B'", "R", "U2", "R'", "F", "D2", "F'"]
Solution: ["F'", "R'", "B", "R", "U'", "L'", "B", "L'", "U2", "F'", "L'", "U'", "B2", "U2", "L'", "U", "F'", "U", "R", "B'", "L2", "F'", "R2", "B'", "L2", "B2", "U2"]

“打亂”行顯示用於打亂魔方的移動，而“解決方案”行顯示從打亂狀態求解魔方所需的移動。

請記住，具體的移動將根據scramble()方法生成的隨機打亂而有所不同。此外，解決方案移動可能會根據初始魔方狀態和Pytwisty求解演算法所採用的求解技術而有所不同。

透過多次執行程式碼，您將觀察到不同的打亂序列及其相應的解決方案，這證明了該程式在解決各種魔方配置方面的多功能性。

結論

在這篇博文中，我們探討了使用Python和Pytwisty構建魔方求解器的過程。透過利用Pytwisty的功能，我們已經瞭解瞭如何表示魔方的狀態、實現求解演算法以及將求解器整合到使用者友好的介面中。