💡 关灯游戏 Lights Out — 在线益智解谜
经典关灯游戏（Lights Out），点击任意格子会同时翻转它自身与上下左右四格的亮灭状态，目标是把所有灯全部关掉。 支持 3×3 ~ 6×6 四种规格与三档难度，题目由全灭状态反向随机点击生成，保证 100% 有解； 内置基于 GF(2) 高斯消元的求解器，可给出提示与最少步数的完整解法演示。
① 游戏设置
② 游戏面板
点击格子，翻转它和上下左右四格，把所有灯关掉即获胜。
步数
0
用时
0.0s
剩余亮灯
0
剩余最少步
—
最佳步数
—
最佳用时
—
③ 本机最佳纪录（当前规格）
| 难度 | 打乱步数 | 最佳步数 | 最佳用时 |
|---|
纪录保存在本机浏览器 localStorage，不会上传服务器。使用「提示」或「一键求解」通关的局不计入最佳纪录。
🎮 玩法说明与实用技巧
- 基本规则：点击任意格子，该格与上下左右相邻格（边角处相邻格更少）同时亮灭反转，把全部灯关掉即通关。
- 顺序无关：点击顺序不影响最终结果，只有「每格被点了奇数次还是偶数次」有意义，所以同一格点两次等于没点。
- 照亮追逐法（Chase the Lights）：从第二行开始，若上一行某格是亮的，就点它正下方那格，逐行向下推进，最后只剩最后一行有灯。
- 看最后一行：追逐完成后，最后一行的亮灯图案唯一决定了第一行应该怎么点。5×5 共有 8 种可解的末行图案，记住对照表就能秒解。
- 先想再点：乱点会让局面变复杂。若卡住，用「重置本局」回到初始局面重新规划，而不是继续试错。
- 难度提示：随机打乱步数越多不代表越难解，因为重复点击会互相抵消；真正的难度来自最少解步数，面板上的「理论最少步」即为该值。
📐 数学原理：GF(2) 线性方程组与高斯消元
- 把 n×n 棋盘的每一格看作一个变量 x_j ∈ {0,1}，表示「第 j 格是否被点击」（点两次等于不点，所以只需模 2 记录奇偶）。
- 点击第 j 格会翻转它自己和四个邻格，于是构造 n² × n² 的系数矩阵 A：当点击 j 会影响格子 i 时 A[i][j] = 1，否则为 0。
- 设当前亮灯状态向量为 b（亮为 1、灭为 0），求解目标就是模 2 意义下的线性方程组 A · x = b (mod 2)。
- 在二元域 GF(2) 上，加法即异或（XOR），乘法即与（AND），因此高斯消元中的「减去某行」直接用异或实现，无需除法，也不存在浮点误差。
- 本页把增广矩阵化为行最简形（RREF）：若出现「系数全 0 但常数项为 1」的行，说明该局面无解；否则解存在。
- 矩阵 A 的零空间维数决定自由变量个数：3×3 与 6×6 为 0（解唯一），5×5 为 2（4 组解），4×4 为 4（16 组解）。对全部 2^k 组自由变量赋值枚举，取汉明重量（1 的个数）最小的那组，即为最少点击步数的解。
- 零空间中的非零向量被称为「安静图案（Quiet Pattern）」：整体点一遍它棋盘状态完全不变，这正是同一局面存在多组解法的原因。
- 本页的题目由全灭状态出发反向随机点击生成，因此 b 必然落在 A 的列空间中，保证每一局都有解。
📘 使用说明
- 选择网格规格与难度，点击新游戏开始
- 点击任意格子会翻转它自己和上下左右相邻的四格
- 目标是把所有格子都变成熄灭状态
- 卡住时可以点击提示按钮获取最优解的下一步，或一键演示完整解法
❓ 常见问题
Q: 关灯游戏有什么解题技巧？
A: 最实用的是「照亮追逐法」（Chase the Lights）：从第一行开始，如果某个格子是亮的，就点击它正下方那一格来关掉它；处理完第一行后，第一行必定全灭，然后用同样方法处理第二行、第三行……直到最后一行。此时前面所有行都灭了，只剩最后一行可能还有亮灯。这时查表——最后一行的亮灯模式对应唯一的第一行点击方案，按方案点击第一行后再做一遍完整的追逐，即可全灭。5×5 的对应关系只有 4 种非平凡情况，记住即可。
Q: 为什么有些局面无解？这个游戏怎么保证有解？
A: 关灯游戏本质上是 GF(2)（模 2 域）上的线性方程组，系数矩阵由网格的邻接关系决定。当矩阵不满秩时，存在「不可达」的局面——5×5 的关灯游戏矩阵秩为 23（有 2 维零空间），意味着 2²⁵ 种局面中只有 2²³ 种可解，即 1/4 的局面无解。本游戏采用「从全灭状态反向随机点击 N 次」的方式生成初始局面，由于每次点击都是可逆操作，生成的局面必定在可解空间内，因此保证每一关都有解。
Q: 提示功能给的是最少步数吗？
A: 是的。求解器构造 n²×n² 的系数矩阵，在 GF(2) 上做高斯消元得到一个特解，然后枚举零空间中所有向量与特解相加，从所有可行解中选出汉明重量（即需要点击的格子数）最小的那个。5×5 的零空间维度是 2，需要枚举 4 个解；4×4 的零空间维度是 4，枚举 16 个解；3×3 和 6×6 矩阵满秩，解唯一。因此提示给出的一定是理论最少点击次数，不存在更优解。
Q: 关灯游戏和线性代数有什么关系？
A: 关系非常直接。把每个格子的状态看作 GF(2) 上的一个变量（0 灭 1 亮），每次点击看作对相关格子做模 2 加法，那么「哪些格子需要点击才能全灭」就是求解 Ax = b 这个线性方程组，其中 A 是邻接矩阵（含自身），b 是初始亮灯状态。两个重要推论：一是每个格子最多点一次（点两次等于没点，因为模 2 下 1+1=0）；二是点击顺序不影响结果（加法交换律）。这个游戏常被用作线性代数课程的趣味教学案例。
