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Rubik’s Cube avec une face en cours de rotation.
Auteur | Ernő Rubik |
---|---|
Éditeur | Ideal Toys |
Date de 1re édition | 1974 |
Distributeurs |
|
Joueur(s) | 1 |
Âge | à partir de 8 ans |
habileté physique Oui | réflexion décision Oui | générateur de hasard Non | info. compl. et parfaite Oui |
Le Rubik’s Cube (ou Cube de Rubik) est un casse-tête inventé par Ernő Rubik en 1974, et qui s’est rapidement répandu sur toute la planète au cours des années 1980.
Au Canada francophone, il est nommé Cube Rubik (sans le « de »). L'appellation Rubik's Cube est considérée comme exclusivement anglophone.
Il s'agit d'un casse-tête géométrique à trois dimensions composé extérieurement de 26 éléments qui, à première vue, semblent être des cubes pouvant se déplacer sur toutes les faces et paraissant libres de toute attache sans tomber pour autant. Un système d’axes, dont le mécanisme a été breveté par son auteur, Ernő Rubik, se cache au centre du cube.
Le Rubik’s Cube fut inventé le par Ernő Rubik[1], un sculpteur et professeur d’architecture hongrois, qui s’intéresse à la géométrie et à l’étude des formes en 3D. Ernő Rubik obtient en 1976 le brevet hongrois HU170062 pour le « Magic Cube[2] », mais ne demande pas de brevet international. Le produit est testé en 1977, et les premiers cubes se vendent peu après dans les boutiques de jouets de Budapest.
L’idée initiale d’Ernő Rubik était de construire un cube afin d’amener ses étudiants à deviner quel était son mécanisme interne, comment les petits cubes pouvaient tourner suivant trois axes tout en restant solidaires, et ainsi de les intéresser à la géométrie en 3 dimensions[1].
Ce n’est qu’ensuite qu’il eut l’idée (par la suggestion d’un ami) de colorer chaque face d’une couleur différente, constatant alors qu’après mélange, l’ordre initial du cube s’avérait extrêmement difficile à retrouver (une chance sur 43 252 003 274 489 856 000 à chaque rotation). Il eut alors l’idée de le commercialiser en tant que « casse-tête » géométrique et mathématique.
En Hongrie, le cube gagne en popularité par le bouche-à-oreille, et est bientôt connu dans toute l’Europe. En septembre 1979, à l'instigation de Bernard Farkas[3], un accord est signé avec Ideal Toys pour distribuer le cube mondialement. Ideal Toys renomme alors le cube « Rubik’s Cube » et les premiers exemplaires sont exportés de Hongrie vers mai 1980, en direction de Londres, de New York et de Paris.
Aujourd’hui, le Rubik’s Cube est copié sous licence par de nombreux distributeurs par le monde. Il est distribué par Win Games en France et par Jumbo en Belgique.
Le Rubik’s Cube atteint son maximum de popularité au début des années 1980. Plus de 100 millions de cubes sont vendus entre 1980 et 1982[4],[h 1]. Le « Rubik’s Cube » gagne le prix des distributeurs de jouets britanniques en 1980 et de nouveau en 1981[5]. De nombreux jeux similaires sont distribués peu de temps après le Rubik’s Cube, notamment le « Rubik's Revenge », une version 4×4×4 du Rubik’s Cube. Il existe aussi une version 2×2×2 et 5×5×5 (connus respectivement sous les noms de « Pocket Cube » et de « Professor's Cube »), et des versions dans d’autres formes, comme la pyramide ou le dodécaèdre régulier (1212). Depuis juin 2008, la marque V-Cube vend les modèles en 6×6×6, 7×7×7 et 8×8×8.
En 1981, Patrick Bossert, écolier britannique de douze ans, publie sa solution détaillée. You can do the cube s'est vendu à 1,5 million d’exemplaires à travers le monde[6], dans 17 éditions différentes. Il est numéro 1 des best-sellers du Times et du New York Times en 1981.
Le , la Cour de justice de l'UE annule l'enregistrement en tant que marque européenne de la forme du Rubik's cube, considérant que cet enregistrement protège non pas une marque mais une "solution technique", à savoir la capacité de rotation des faces du cube, qui dépend d'un brevet plutôt que d'une marque[7].
Le Rubik’s Cube est un cube dont chaque face est divisée en neuf cubes miniatures qui peuvent tourner indépendamment les uns des autres. En fait le cube est composé d’un axe central portant les centres des 6 faces, de 8 cubes de coin à 3 faces visibles et de 12 cubes d’arête à 2 faces visibles. À l’état final, chaque face du cube de Rubik est d’une couleur homogène et différente des autres, mais la rotation indépendante de chaque face provoque un mélange des petits cubes de coin et d’arête.
Le but du jeu est, après avoir mélangé les six faces, de manipuler le cube pour tenter de lui rendre son apparence d’origine, avec les six faces de couleurs unies. Les couleurs des faces du cube original sont : blanc en face de jaune, vert en face de bleu, orange en face de rouge. Sur les versions non originales, les positions relatives des faces de couleurs et même parfois les couleurs peuvent changer.
Il en est sorti de nombreuses variantes de forme et de décoration (voir la section Variantes).
La pratique qui consiste à résoudre le Rubik’s Cube le plus rapidement possible est le speedcubing. En utilisant la méthode la plus simple, on peut y arriver en moins d'une minute avec suffisamment d’entraînement[h 2]. Les meilleurs le font en moins de dix secondes.
Il existe différentes techniques, consistant à réaliser des séquences comportant une dizaine de mouvements. Les techniques les plus utilisées consistent à construire la « croix » d’une face avant de finir cette face. On termine ensuite les arêtes de la tranche intermédiaire. Puis on résout la dernière face en orientant puis permutant les cubes qui la constituent. Ces méthodes sont nommées Layer by Layer pour « couche par couche ».
Le nombre de positions différentes est supérieur à 43 trillions. Ainsi, en passant en revue un milliard de combinaisons différentes par seconde, il faudrait plus de 1 200 ans pour toutes les épuiser[8]. Ou encore, des Rubik's cubes classiques (57 millimètres de côté) chacun dans une configuration différente pourraient recouvrir la surface entière de la Terre sur une hauteur d'environ six étages.
Plus précisément, il y a 8! × 37 × 12! × 210 = 43 252 003 274 489 856 000 combinaisons[9], ce qui se calcule comme suit[h 3] :
Ce qui donne 211 x 37 x 12! x 8! / 2 = 210 x 37 x 12! x 8!.
Les centres ne sont pas considérés dans ce calcul, car ce sont eux qui nous servent de points de repère.
Des versions modifiées du cube original, par exemple avec un motif imprimé sur ses surfaces, nécessitent, elles, une position spécifique de ces carrés centraux qui nous oblige à considérer l’orientation des centres. Chaque centre a quatre orientations possibles, l’orientation du dernier est comme d’habitude fixée par celle des précédents (à un demi-tour près) et il faut donc multiplier le nombre de positions du Rubik’s cube par 2×45 = 2048.
On peut tenter de chercher la solution au hasard, mais étant donnée l’espérance de vie humaine, ce n’est pas une solution viable. Si l'on admet qu'un être humain peut passer en revue en moyenne une combinaison par seconde, il lui faudrait en moyenne un temps cent fois supérieur à l'âge actuel de l'Univers (environ 5×1017 secondes) pour réussir à trouver toutes les combinaisons du cube seulement grâce au hasard (4,3×1019 secondes) : autrement dit absolument rien de physiquement réalisable. Il a donc fallu inventer des méthodes pour résoudre le cube. La légende veut qu’Ernő Rubik lui-même y ait passé plus d'un mois[10].
On peut manipuler le cube méthodiquement, selon des séquences de mouvements prédéfinies qui permettent de remonter le cube progressivement, c’est-à-dire de déplacer et d’orienter les petits cubes par étapes, sans perdre les fruits de son travail préalable.
C’est la plus intuitive et la plus simple à mettre en œuvre. La résolution nécessite en moyenne un peu plus de 185 mouvements :
Chaque opération (tourner une arête ou un sommet, échanger deux arêtes ou deux sommets) pourra être réalisée deux fois, après avoir placé les cubes concernés sur la même face, et en prenant soin de ne pas modifier cette face pendant l'opération. La première exécution mélange le reste du cube, mais en tournant alors la face d'un quart ou d'un demi-tour pour placer le(s) sujet(s) de la deuxième opération au même endroit relativement au reste du cube et en refaisant l'opération à l'envers, on réalisera la deuxième opération tout en remettant le reste du cube en place.
Une autre méthode intuitive :
C’est une approche différente des deux premières : elle est moins automatisée, mais a l’avantage de conserver au maximum les cubes bien placés. La résolution nécessite en moyenne 60 mouvements :
C’est encore une approche différente qui, comme celle de L. Petrus, nécessite environ 60 mouvements. Cette méthode est très utilisée en speedcubing car systématique :
Cette méthode est utilisée par les plus grands champions mais nécessite l’apprentissage de nombreuses séquences :
Des méthodes alternatives permettent d’apprendre moins de séquences, comme l’OLL ou la PLL en deux étapes.
Une approche encore différente et assez intuitive consiste à commencer par les coins ; l'avantage d'une telle méthode est qu'il est ensuite facile de résoudre les arêtes en gardant les coins bien placés. Ces méthodes étaient très utilisées dans les années 1980. Elles sont devenues plus rares aujourd'hui. La résolution nécessite 60 à 70 mouvements (une cinquantaine seulement si on compte un mouvement de tranche centrale comme un seul mouvement et non deux) :
Basée sur la construction de bloc, cette méthode est intuitive et nécessite moins de coups. Elle est donc très adaptée pour le speedcubing. Elle est notamment utilisée par le champion d'Europe de Rubik's cube. Elle porte le nom de son inventeur[11]. Elle consiste à réaliser en premier deux faces opposées puis terminer par la tranche centrale.
Pour un big cube, une méthode simple (et longue) reprend quelques algorithmes de la méthode couche par couche pour un 3×3×3 :
On peut facilement placer les arêtes de la deuxième couche entre les étapes 1 et 2. Cela permet d'éviter l'étape 4 pour les cubes de 4×4×4 et 5×5×5.
Pour résoudre un 3×3×3 en couche par couche, on doit apprendre 4 algorithmes au minimum. Pour résoudre n'importe quel « big cube » (même un 500×500×500), 1 algorithme supplémentaire est nécessaire. Mais de cette méthode, la résolution est lente, et si une formule est ratée, le cube devra être refait en grande majorité.
Une méthode plus efficace consiste à :
Si la taille du cube est paire (4x4x4, 6x6x6, etc.), il est fréquent d'avoir pendant l'étape 3 une seule rangée d'arête mal orientée (ce qui ne peut pas arriver sur un 3×3×3). Il faut donc utiliser un algorithme supplémentaire pour pouvoir résoudre le cube.
Une variante de cette méthode, la méthode Yau, est très utilisée en speedcubing pour le 4×4×4 :
On peut, grâce à l'informatique, aller jusqu'à des cubes 1000x1000x1000[12].
Si un petit cube est à sa place, cela ne signifie pas nécessairement que les couleurs sont à leur bonne place. Par exemple un cube-arête a deux positions de couleur possibles et un cube-sommet trois.
Chaque étape intermédiaire utilise elle-même des algorithmes spécifiques.
Il existe en fait de nombreuses méthodes de résolution. Certains spécialistes y ont même consacré leur thèse universitaire. Des compétitions sont organisées. Les meilleurs concurrents sont capables de rétablir un cube en moins de quinze secondes[9] grâce à plusieurs dizaines d’algorithmes (environ 80 pour la méthode Fridrich, la plus largement utilisée).
En 1981, Morwen Thistlewaite est l'un des premiers à publier une méthode de résolution informatique efficace[13]. Grâce à sa méthode, il est capable de résoudre le cube en moins de 52 mouvements.
En 1992, Herbert Kociemba améliore l'algorithme de Thistlewaite. Son logiciel « Cube Explorer » implémente cet algorithme[14]. Cet algorithme est notamment utilisé pour générer des mélanges par la World Cube Association[15].
Le cube de Rubik est un support pédagogique très intéressant pour l’enseignement des mathématiques, en particulier pour la théorie des groupes.
La résolution du cube peut passer par l’algèbre, en modélisant chacune des rotations par une lettre. L’ensemble des configurations du cube constitue un groupe fini.
Une question fondamentale que l’on peut se poser sur le cube est le diamètre du graphe des configurations du cube, c'est-à-dire le nombre minimal de mouvements (flip) nécessaires pour relier n'importe quelle paire de configurations du cube — nombre parfois appelé nombre de Dieu. Plus encore que ce nombre de Dieu, on voudrait connaître l'algorithme de Dieu, c'est-à-dire la méthode la plus simple et élégante à décrire qui permette, pour chaque configuration du cube, de trouver la plus courte séquence la transformant en le cube résolu (le terme d'algorithme de Dieu fait allusion au Livre de Dieu imaginé par le mathématicien Erdös qui contiendrait les preuves les plus simples et élégantes de chaque théorème mathématique).
Cette question se décline en deux versions à propos du Rubik’s Cube, selon ce que l’on choisit d’appeler « mouvement élémentaire ». Si un mouvement élémentaire est un quart de tour d’une face du cube, étant donné une position, on peut faire 12 mouvements élémentaires. Si un mouvement élémentaire est au choix un quart de tour ou un demi-tour d’une face du cube, étant donné une position, il existe 18 mouvements élémentaires.
On savait jusqu'en 2010 qu'il existait une configuration du cube à au moins 20 mouvements du cube résolu si on autorise les demi-tours, 26 sinon. Une telle configuration est appelée superflip. Tomas Rokicki, mathématicien à l’université Stanford, a établi qu’il est possible de résoudre tout Rubik’s cube en un maximum de 25 mouvements (en autorisant les demi-tours)[16]. En 2008, ce même mathématicien a démontré que ce nombre pouvait être réduit à 22[9].
En juillet 2010, un groupe de scientifiques internationaux (incluant Tomas Rokicki, ainsi que Morley Davidson, John Dethridge et Herbert Kociemba) démontre par un calcul exhaustif que le nombre de Dieu est 20[17]. Ce calcul a nécessité quelques semaines de calcul distribué sur un grand nombre d'ordinateurs prêtés par Google, et représentant l'équivalent d'un temps de calcul de 35 ans sur un PC haut de gamme. Au passage, ce calcul a révélé qu'il y a environ 300 millions de configurations qui nécessitent exactement 20 flips pour être résolues et qu'il faut en moyenne 17,88 flips pour résoudre une configuration tirée uniformément au hasard.
En août 2014, Tomas Rokicki et Morley Davidson démontrent qu'en n'autorisant que les quarts de tour, le nombre de Dieu est 26[18].
Il existe une World Cube Association (abrégée WCA) qui organise des championnats suivant des règles précises : chaque candidat utilise son cube personnel (parfois lubrifié) et la position de départ est la même pour tout le monde. Le premier championnat du monde s’est déroulé à Budapest en 1982.
Le temps le plus rapide jamais réalisé officiellement est de 4,737 s, détenu par le « cubeur » Feliks Zemdegs dans la compétition POPS Open 2016, à Melbourne en Australie, le 11 décembre 2016[19] améliorant de 7 millièmes le précédent de 4,744 s, détenu par le « cubeur » Mats Valk dans la compétition Jawa Tipur Open 2016, en Indonésie, le 6 novembre 2016[20].
Le temps officiel le plus rapide au blindfolded est de 18,50 s établi par le Chinois Kaijun Lin [21].
Le record officiel basé sur la moyenne de 3 cubes parmi 5 (excluant l’essai le plus rapide et le plus lent) est de 6,45 s, détenu par l'Australien Feliks Zemdegs[22], lors du WLS Lato 2016.
Il existe également des épreuves moins conventionnelles, mais toutefois reconnues par la World Cube Association : résolution les yeux bandés (le blindfold cubing), avec une seule main, avec les pieds[23]…
La France organise tous les ans un championnat de France. Ce championnat a été organisé à Paris de 2004 à 2012. Depuis 2013, il se tient chaque année dans une ville différente.
En 2011, le robot CubeStormer II a réussi à battre le record du monde (à l'époque de 5,66 s) jusque-là détenu par un humain en résolvant un cube en seulement 5,270 s. Il s'agissait d'un robot en Lego conçu et programmé par Mike Dobson et David Gilday et fonctionnant grâce à une application Android sur un Samsung Galaxy S II[24].
Depuis, le 17 mars 2014, le robot ARM-Powered Cubestormer[25] 3 a battu ce record en réalisant le casse-tête en 3,253 s. lors du Big Bang Fair de Birmingham, au Royaume-Uni[25]. Le robot conçu par les mêmes ingénieurs est construit en Lego et fonctionne grâce à une application Android sur un Samsung Galaxy S4[26].
Le 23 janvier 2016, le robot Sub1 réalise le casse-tête en seulement 0,887 s, détrônant ainsi le précédent robot. Ce record a été réalisé au Cubikon Store de Munich en Allemagne[27].
Le succès du Rubik’s Cube a donné naissance à plusieurs variantes. Rubik a commercialisé quatre variantes de forme cubique, en changeant le nombre de cubes sur une arête :
Pocket Cube (2×2×2)
Rubik's Revenge (4×4×4)
Professor's Cube (5×5×5)
Il existe aussi des versions plus complexes, des cubes 6×6×6 et 7×7×7, inventées par Panagiotis Verdes (en) :
D’autres variantes consistent à changer le polyèdre utilisé. La plupart de ces variantes furent inventées par Uwe Mèffert :
Ou encore la Twistball inventée par Josip Matijek :
Il existe d'autres variantes, comme le Rubik's Barrel ou le Puzzle multi-pyramidal.
Il y a des variantes du schéma de couleurs classique. Par exemple, sur le schéma dit « japonais », la face blanche et la face bleue sont opposées.
Le cube calendrier est un Rubik's Cube décoré de sorte qu'il soit possible de former n'importe quelle association de jour et date sur une des faces.
Il existe également des variantes publicitaires ou à thèmes : ainsi furent créés des Rubik's Cubes à l'effigie de Dark Maul ou d'Homer Simpson ou encore de marques de sodas. Certains Rubik's Cubes sont aussi distribués (parfois sous forme de porte-clés : 2×2×2 ; 3×3×3), pour des organisations ou des entreprises, telles Philips.
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