• 10博弈论--取石子游戏


    (一)巴什博奕(Bash Game):

    只有一堆n个物品,两个人轮流从这堆物品中取物,规定每次至少取一个,最多取m个。最后取光者得胜。
    显然,如果n=m+1,那么由于一次最多只能取m个,所以,无论先取者拿走多少个,后取者都能够一次拿走剩余的物品,后者取胜。
    因此我们发现了如何取胜的法则:如果n=(m+1)r+s,(r为任意自然数,s≤m),那么先取者要拿走s个物品,如果后取者拿走k(≤m)个,那么先取者再拿走m+1-k个,结果剩下(m+1)(r-1)个,以后保持这样的取法,那么先取者肯定获胜。
    总之,要保持给对手留下(m+1)的倍数,就能最后获胜。
    ---- 这个游戏还可以有一种变相的玩法:两个人轮流报数,每次至少报一个,最多报十个,谁能报到100者胜。


    (二)威佐夫博奕(Wythoff Game):

    有两堆各若干个物品,两个人轮流从某一堆或同时从两堆中取同样多的物品,规定每次至少取一个,多者不限,最后取光者得胜。

    这种情况下是颇为复杂的。我们用(ak,bk)(ak ≤ bk ,k=0,1,2,...,n)表示两堆物品的数量并称其为局势,如果甲面对(0,0),那么甲已经输了,这种局势我们称为奇异局势。前几个奇异局势是:(0,0)、(1,2)、(3,5)、(4,7)、(6,10)、(8,13)、(9,15)、(11,18)、(12,20)。
    可以看出,a0=b0=0,ak是未在前面出现过的最小自然数,而 bk= ak + k,奇异局势有
    如下三条性质:
    1。任何自然数都包含在一个且仅有一个奇异局势中。
    由于ak是未在前面出现过的最小自然数,所以有ak > ak-1 ,而 bk= ak + k > ak-1 + k-1 = bk-1 > ak-1 。所以性质1。成立。
    2。任意操作都可将奇异局势变为非奇异局势。
    事实上,若只改变奇异局势(ak,bk)的某一个分量,那么另一个分量不可能在其他奇异局势中,所以必然是非奇异局势。如果使(ak,bk)的两个分量同时减少,则由于其差不变,且不可能是其他奇异局势的差,因此也是非奇异局势。
    3。采用适当的方法,可以将非奇异局势变为奇异局势。
    假设面对的局势是(a,b),若 b = a,则同时从两堆中取走 a 个物体,就变为了奇异局势(0,0);如果a = ak ,b > bk,那么,取走b - bk个物体,即变为奇异局势;如果 a = ak , b < bk ,则同时从两堆中拿走 ak - a[b - ak]个物体,变为奇异局势( a[b - ak] , a[b - ak]+ b - ak);如果a > ak ,b= ak + k,则从第一堆中拿走多余的数量a - ak 即可;如果a < ak ,b= ak + k,分两种情况,第一种,a=aj (j < k),从第二堆里面拿走 b - bj 即可;第二种,a=bj (j < k),从第二堆里面拿走 b - aj 即可。
    从如上性质可知,两个人如果都采用正确操作,那么面对非奇异局势,先拿者必胜;反之,则后拿者取胜。

    那么任给一个局势(a,b),怎样判断它是不是奇异局势呢?

    我们有如下公式:

    ak =[k(1+√5)/2],bk= ak + k (k=0,1,2,...,n 方括号表示取整函数)(其中k=bk-ak)
    奇妙的是其中出现了黄金分割数(1+√5)/2 = 1。618...,因此,由ak,bk组成的矩形近似为黄金矩形,由于2/(1+√5)=(√5-1)/2,可以先求出j=[a(√5-1)/2],若 a=[j(1+√5)/2],那么a = aj,bj = aj + j,若不等于,那么a = aj+1,bj+1 = aj+1+ j + 1,若都不是,那么就不是奇异局势。然后再按照上述法则进行,一定会遇到奇异局势。


    (三)尼姆博奕(Nimm Game):

    有三堆各若干个物品,两个人轮流从某一堆取任意多的物品,规定每次至少取一个,多者不限,最后取光者得胜。

    这种情况最有意思,它与二进制有密切关系,我们用(a,b,c)表示某种局势,首先(0,0,0)显然是奇异局势,无论谁面对奇异局势,都必然失败。第二种奇异局势是(0,n,n),只要与对手拿走一样多的物品,最后都将导致(0,0,0)。仔细分析一下,(1,2,3)也是奇异局势,无论对手如何拿,接下来都可以变为(0,n,n)的情形。
    计算机算法里面有一种叫做按位模2加,也叫做异或的运算,我们用符号(+)表示这种运算。这种运算和一般加法不同的一点是1+1=0。先看(1,2,3)的按位模2加的结果:
    1 =二进制01
    2 =二进制10
    3 =二进制11 (+)
    ———————
    0 =二进制00 (注意不进位)
    对于奇异局势(0,n,n)也一样,结果也是0。
    任何奇异局势(a,b,c)都有a(+)b(+)c =0。
    如果我们面对的是一个非奇异局势(a,b,c),要如何变为奇异局势呢?假设 a < b< c,我们只要将 c 变为 a(+)b,即可,因为有如下的运算结果: a(+)b(+)(a(+)b)=(a(+)a)(+)(b(+)b)=0(+)0=0。要将c 变为a(+)b,只要从 c中减去 c-(a(+)b)即可。
    例1。(14,21,39),14(+)21=27,39-27=12,所以从39中拿走12个物体即可达到奇异局势(14,21,27)。
    例2。(55,81,121),55(+)81=102,121-102=19,所以从121中拿走19个物品就形成了奇异局势(55,81,102)。
    例3。(29,45,58),29(+)45=48,58-48=10,从58中拿走10个,变为(29,45,48)。
    例4。我们来实际进行一盘比赛看看:
    甲7,8,9)->(1,8,9)奇异局势
    乙1,8,9)->(1,8,4)
    甲1,8,4)->(1,5,4)奇异局势
    乙1,5,4)->(1,4,4)
    甲1,4,4)->(0,4,4)奇异局势
    乙0,4,4)->(0,4,2)
    甲0.4,2)->(0,2,2)奇异局势
    乙0,2,2)->(0,2,1)
    甲0,2,1)->(0,1,1)奇异局势
    乙0,1,1)->(0,1,0)
    甲0,1,0)->(0,0,0)奇异局势

    甲胜。

    Nim游戏:有若干堆石子,每堆石子的数量都是有限的,合法的移动是“选择一堆石子并拿走若干颗(不能不拿)”,如果轮到某个人时所有的石子堆都已经被拿空了,则判负(因为他此刻没有任何合法的移动)。

    简单情况
    •只剩下一堆石子,必胜策略是把这堆石子全部拿完,
    –先手胜
    •剩下两堆不相等的石子,必胜策略是通过取多的一堆的石子将两堆石子变得相等,以后如果对手在某一堆里拿若干颗,你就可以在另一堆中拿同样多的颗数,直至胜利。
    – 先手胜
    •两堆相等的石子,那么此时你是没有任何必胜策略的,反而对手可以遵循上面的策略保证必胜。
    •如果是三堆石子……好像已经很难分析了,设计出一种在有必胜策略时就能找到必胜策略的算法。
    Bouton 定理
    •对于一个Nim游戏的状态 ( a1 , a2 , ... , an ),状态如果是 a1^a2^...^an=0,其中^表示(xor)运算。
    •先手必败
     
     
    anti-nim:有若干堆石子,两个人轮流从中取石子。每堆石子的数量都是有限的,合法的取石子操作是“选择一堆石子并拿走若干颗(不能不拿)”。拿走最后一颗石子的人失败。问先手是否必胜。如果必胜,问必胜策略;如果不是;求是否存在必胜状态?

    奇异局势,所有堆的xor和==0.

    假定S是非奇异局势,T是奇异局势。
    一堆中石子数量>=2,表示充裕堆, =1表示孤单堆。

    S0即非奇异局势下,充裕堆为0的状态
    S1即非奇异局势下,充裕堆为1的状态
    S2即非奇异局势下,充裕堆>=2的状态

    T0即奇异局势下,充裕堆为0的状态
    T2即奇异局势下,充裕堆>=2的状态

    1.奇异局势的定义可知,S能转移到T,能转移到S, T只能转移到S

    2.S0必败,T0必胜

    3.S1必胜,因为S1只需要转移到S0即可。

    4.S2必胜,T2必败。
    1)T2只能转移到S1 和 S2
    2)若T2转移到S1 则T2败,若T2转移到S2,S2只需要转回到T2即可。所以S2胜,T2败。

    所以:
    必胜态:T0,S1,S2
    必败态:S0,T2

     
     

    Fibonacci Nim (斐波那契取石子博弈):

    有一堆个数为n的石子,游戏双方轮流取石子,满足:
    1)先手不能在第一次把所有的石子取完;
    2)之后每次可以取的石子数介于1到对手刚取的石子数的2倍之间(包含1和对手刚取的石子数的2倍)。
    约定取走最后一个石子的人为赢家,求必败态。

    n =2时输出-----先手负
    n =3时也是输出-----先手负
    n =4时,第一个人想获胜就必须先拿1个,这时剩余的石子数为3,此时无论第二个人如何取,第一个人都能赢,输出-----先手胜
    n =5时,first不可能获胜,因为他取2时,second直接取掉剩下的3个就会获胜,当他取1时,这样就变成了n为4的情形,所以输出的是-----先手负
    n =6时,first只要去掉1个,就可以让局势变成n为5的情形,所以输出的是-----先手胜
    n =7时,first取掉2个,局势变成n为5的情形,故first赢,所以输出的是-----先手胜
    n =8时,当first取1的时候,局势变为7的情形,第二个人可赢,first取2的时候,局势变成n为6得到情形,也是第二个人赢,取3的时候,第二个人 直接取掉剩下的5个,所以n =8时,输出的是-----先手负
    …………
    从上面的分析可以看出,n为2、3、5、8时,这些都是输出-----先手负,即必败点,仔细的人会发现这些满足斐波那契数的规律,可以推断13也是一个必败点。
    n =12时,只要谁能使石子剩下8且此次取子没超过3就能获胜。因此可以把12看成8+4,把8看成一个站,等价与对4进行”气喘操作“。
    又如13,13=8+5,5本来就是必败态,得出13也是必败态。
    也就是说,只要是斐波那契数,都是必败点。
    所以我们可以利用斐波那契数的公式:fib[i]= fib[i-1]+ fib[i-2],只要n是斐波那契数就输出-----先手负





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    每日一题 为了工作 2020 0308 第六题
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