組合數學——Nim取子游戲
阿新 • • 發佈:2019-02-07
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Nim取子游戲是由兩個人面對若干堆硬幣(或石子)進行的遊戲。設有k>=1堆硬幣,各堆分別含有N1,N2,……NK枚硬幣。遊戲的目的就是選擇最後剩下的硬幣。遊戲法則如下:
1.兩個遊戲人交替進行遊戲(遊戲人I和遊戲人II);
2.當輪到每個遊戲人取子時,選擇這些堆中的一堆,並從所選的堆中取走至少一枚硬幣(遊戲人可以取走他所選堆中的全部硬幣);
3.當所有的堆都變成空堆時,最後取子的遊戲人即為勝者。
這個遊戲中的變數是堆數k和各堆的硬幣數N1,N2,……Nk。對應的組合問題是,確定遊戲人I獲勝還是遊戲人II獲勝以及兩個遊戲人應該如何取子才能保證自己獲勝(獲勝策略)。
為了進一步理解Nim取子游戲,我們考查某些特殊情況。如果遊戲開始時只有一堆硬幣,遊戲人I則通過取走所有的硬幣而獲勝。現在設有2堆硬幣,且硬幣數量分別為N1 和N2。遊戲人取得勝利並不在於N1和N2的值具體是多少,而是取決於它們是否相等。設N1!=N2,遊戲人I從大堆中取走的硬幣使得兩堆硬幣數量相等,於是,遊戲人I以後每次取子的數量與遊戲人II相等而最終獲勝。但是如果N1= N2,則:遊戲人II只要按著遊戲人I取子的數量在另一堆中取相等數量的硬幣,最終獲勝者將會是遊戲人II。這樣,兩堆的取子獲勝策略就已經找到了。
現在我們如何從兩堆的取子策略擴充套件到任意堆數中呢?
首先來回憶一下,每個正整數都有對應的一個二進位制數,例如:57(10) à 111001(2) ,即:57(10)=25+24+23+20。於是,我們可以認為每一堆硬幣數由2的冪數的子堆組成。這樣,含有57枚硬幣大堆就能看成是分別由數量為25 、24、23、20的各個子堆組成。
現在考慮各大堆大小分別為N1,N2,……Nk的一般的Nim取子游戲。將每一個數Ni表示為其二進位制數(數的位數相等,不等時在前面補0):
N1 = as…a1a0
N2 = bs…b1b0
……
Nk = ms…m1m0
如果每一種大小的子堆的個數都是偶數,我們就稱Nim取子游戲是平衡的,而對應位相加是偶數的稱為平衡位,否則稱為非平衡位。因此,Nim取子游戲是平衡的,當且僅當:
由Nim取子游戲的平衡條件可知,此遊戲是一個非平衡狀態的取子游戲,因此,遊戲人I在按獲勝策略進行取子游戲下將一定能夠取得最終的勝利。具體做法有多種,遊戲人I可以從大小為12的堆中取走11枚硬幣,使得遊戲達到平衡(如下表),
之後,無論遊戲人II如何取子,遊戲人I在取子後仍使得遊戲達到平衡。
同樣的道理,遊戲人I也可以選擇大小為9的堆並取走5枚硬幣而剩下4枚,或者,遊戲人I從大小為15的堆中取走13枚而留下2枚。
歸根結底,Nim取子游戲的關鍵在於遊戲開始時遊戲處於何種狀態(平衡或非平衡)和第一個遊戲人是否能夠按照取子游戲的獲勝策略來進行遊戲。
as + bs + … + ms 是偶數
……a1 + b1 + … + m1 是偶數
a0 + b0 + … + m0是偶數
於是,我們就能得出獲勝策略: 遊戲人I能夠在非平衡取子游戲中取勝,而遊戲人II能夠在平衡的取子游戲中取勝。 我們以一個兩堆硬幣的Nim取子游戲作為試驗。設遊戲開始時遊戲處於非平衡狀態。這樣,遊戲人I就能通過一種取子方式使得他取子後留給遊戲人II的是一個平衡狀態下的遊戲,接著無論遊戲人II如何取子,再留給遊戲人I的一定是一個非平衡狀態遊戲,如此反覆進行,當遊戲人II在最後一次平衡狀態下取子後,遊戲人I便能一次性取走所有的硬幣而獲勝。而如果遊戲開始時遊戲牌平衡狀態,那根據上述方式取子,最終遊戲人II能獲勝。 下面應用此獲勝策略來考慮4-堆的Nim取子游戲。其中各堆的大小分別為7,9,12,15枚硬幣。用二進位制表示各數分別為:0111,1001,1100和1111。於是可得到如下一表:
23 |
22 = 4 |
21 = 2 |
20 = 1 |
|
大小為7的堆 | 0 | 1 | 1 | 1 |
大小為9的堆 | 1 | 0 | 0 | 1 |
大小為12的堆 | 1 | 1 | 0 | 0 |
大小為15的堆 | 1 | 1 | 1 | 1 |
23 = 8 |
22 = 4 |
21 = 2 |
20 = 1 |
|
大小為7的堆 | 0 | 1 | 1 | 1 |
大小為9的堆 | 1 | 0 | 0 | 1 |
大小為12的堆 | 0 | 0 | 0 | 1 |
大小為15的堆 | 1 | 1 | 1 | 1 |