Kiến bò đi đâu (sưu tầm)

Bác Vũ Hà Văn có ra câu đố này, treo bên trang Khoa học máy đếm. Chép lại để các bạn thử cho vui.

Có 10 con kiến trên một que 1 mét. Từng con kiến bắt đầu bò sang trái hoặc phải tùy hỉ, dọc theo que, với tốc độ 1 mét/giờ. Khi hai con kiến đụng đầu nhau chúng sẽ đổi hướng. Khi một con bò đến đầu que thì nó rới xuống đất. Hỏi: khi nào thì tất cả kiến rơi xuống đất?

Tranh minh họa của Escher vẽ kiến không ăn nhập lắm với nội dung bài toán. Trong bài toán, phạm vi hoạt động của các con kiến là một đa tạp một chiều rất tầm thường. Trong hình vẽ, chúng sinh sống trên lá của Mobius. Đây là ví dụ đơn giản nhất của một đa tạp hai chiều không định hướng đươc. Vì không định hướng được, nên các chú kiến của chúng ta cứ bò lổm ngổm mà không biết đâu là trước là sau, đâu là phải là trái. Thôi thì cứ lổm ngổm như vậy còn hơn là rơi tòm vào lỗ đen.

Còn đây là lời giải cho câu đố của bác Văn.

Bác Văn cấp cho mỗi con kiến một cái mũ đánh số từ 1 đến mười. Khi hai con kiến đụng độ nhau, thay vì đổi hướng, hai con kiến sẽ đổi mũ cho nhau. Trong bài toán mới này, hiển nhiên sau một giờ, cả mười con Kiến đều rơi vào mồm bác Văn đã há sẵn. Nếu có đo đạc trước, bác Văn còn có thể há mồm đúng lúc chúng rụng, khỏi bị bệnh há miệng mắc quai. Bài toán này dễ hơn bài cũ vì kiến chỉ đổi mũ, không đổi hướng. Để tìm lại bài cũ, ta chỉ cần xác định hoán vị đổi mũ. Hoán vị này còn được phân tích thành tích của các chuyển vị (transposition) tương ứng với các vụ đụng độ. Độ dài tối đa của một hoán vị là  trong trường hợp có n con kiến. Nhưng trong bài toán này, vì có một số kiến đi sang phải, một số đi sang trái, trong mỗi nhóm không chuyển vị với nhau, nên số lần đụng độ tối đa sẽ là  nếu số kiến n là chẵn, và  nếu n lẻ. Bác Văn thì không quan tâm lắm đến hoán vị, miễn là cả đàn kiến chui vào mồm là được.