博弈論之NIM遊戲與SG函式

2021-09-30 12:23:12 字數 4859 閱讀 5674

恩,本文會簡要介紹一下nim取石子遊戲與sg函式,並附上一些有趣的例題。

首先,讓我們來看一看最簡單的取石子遊戲。

遊戲1

規則:有x個石子,兩人輪流取,最多取y個,不能不取,沒得取的人輸,兩個人都按照最優策略進行遊戲,問先手必勝的充要條件。

答案:

x mod (y+1) != 0

恩,剛才那個遊戲很簡單,下面讓我們來看乙個稍微難一點的。

遊戲2

規則:有x個石子,兩人輪流取,最多取y個,最少取z個,且z<=y,沒得取的人輸,兩個人都按照最優策略進行遊戲,問先手必勝的充要條件。

恩,如果大家都沒想出來的話。那我就不公布答案了,我其實想借這個問題引入必勝態和必敗態的概念。

我們定義必勝態為先手一定能贏的局面,必敗態為先手一定不能贏的局面。

然後,對於乙個局面,不是必勝態就是必敗態(因為沒有平局)。

那麼顯然,對於乙個局面a,設b為所以可以轉移到局面a的局面的集合。

那麼a為必勝態當且僅當存在b屬於b,滿足b是必敗態;

那麼a為必敗態當且僅當對於所有b屬於b,滿足b是必勝態。

這個東東的證明是很簡單地,如果存在b是必敗態,乙個聰明的人就會讓對方處於必敗態,然後自己取勝,如果所有b都是必勝態,那麼再怎麼聰明的人也只能讓對方處於必勝態,然後自己心甘情願的輸掉比賽。

有點無聊,那我們就來點資料吧:

對於遊戲2,x=9,y=2,z=4,寫出0-9的先手必勝態表,必勝態用w表示,必敗態用l表示。

0123456789

lwwwwllwww

如果用熟悉的的動態規劃來做,那麼動規方程就是f[i]=or(f[i]=true表示i為必勝態)。

然後問題再變難一點。

遊戲3

規則:有y個石子,兩人輪流取,可以取x個,x屬於數集x,沒得取的人輸,兩個人都按照最優策略進行遊戲,問哪些是必勝態。

恩,這個問題留給大家思考。

遊戲4

規則:有n堆石子,每堆有xi個石子,兩人輪流取,可以在一堆中取任意的石子,但不能不取,也不能跨堆取,沒得取的人輸,兩個人都按照最優策略進行遊戲,問哪些是必勝態。

比如有這樣3堆:7 11 13。

大家可以先討論一下。

下面我們引入用異或解nim取石子問題。

讓我們來證明一些東西:

對於a1,a2,...,an,設sg=a1 xor a2 xor ... xor an。

引理1

若sg!=0,那麼必然存在0<=k

引理2若sg=0,那麼不存在0<=k

下面,我們把異或和nim聯絡到一起。

對於乙個局面(a1,a2,...,an),設sg=a1 xor a2 xor ... xor an。

則它為必敗態當且僅當sg=0。

首先,我們知道(0,0,...,0)是必敗態,這時sg=0,所以命題在這總情況下成立。

然後對於乙個局面(a1,a2,...,an),若a1 xor a2 xor ... xor an != 0,由引理1可知,存在0<=k

例題1(poj1704[georgia and bob])

題目描述:

兩個人玩遊戲,在標有1,2,3,4,5...的格仔上有一些棋子,規則是選一枚棋子移動,要求不能跨越棋子移動,必需向左移動(可以移動任意格),不能移動的就輸掉比賽。

下面是乙個棋局的例子:

+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

|1x|2 |3x|4 |5 |6x|7x|8 |9 |(旁邊標有x的表示在這裡有棋子)

+--+--+--+--+--+--+--+--+--+

給出棋子的初始位置,若先手勝,輸出"georgia will win",否則輸出"bob will win"(不含引號)。

輸入格式:

多組資料。

對於每組資料,第一行是有乙個t,表示有t組資料。

對於每組資料,第一行有乙個n,表示有n枚棋子。

接下來的一行有n個數,分別為每個棋子的位置。

輸出格式:

對每組資料,輸出一行,如題目描述那樣。

樣例輸入:23

1 2 3

81 5 6 7 9 12 14 17

樣例輸出:

bob will win

georgia will win

資料範圍:

不管了,大家想演算法就行了,不管時空複雜度。

題解:

我們從右到左,將每2個棋子看成一對來處理。

如果對方移動某對棋子中的左邊棋子x步,那麼我方就移動右邊棋子x步。

如果對方一定某對棋子中的右邊棋子,那麼就可以看作nim遊戲了。

剛剛我們研究了一下最最樸素的nim遊戲,下面我們要更深入的理解sg函式。

首先sg函式的定義sg(x)=mex(),其中mex(x)=min。

先解釋一下mex函式,mex函式的引數是乙個由一些自然數組成的數集,返回最小的沒有出現在這個數集中的自然數,特別的,如果mex作用在空集上,返回的是0。

再解釋一下sg函式,sg函式的引數是乙個局面,返回乙個自然數,就是這個局面的sg值。

首先,對於乙個局面x,

如果sg(x)!=0,x可以轉移到sg值為0到sg(x)-1的局面,模擬nim遊戲,就是當前有sg(x)顆石子,可以取它,剩下0到sg(x)-1顆石子,與此同時x可能轉移到某些sg值大於sg(x)的局面y,但是此時對手總可以再將局面y轉移回sg值為sg(x)的局面,直至當前選手必選將局面轉移到sg值為0到sg(x)-1的局面;

如果sg(x)=0,那麼要不是x不能轉變到任何狀態(必敗態),就是x只能轉到sg值非0的狀態,模擬nim遊戲,就是取到0顆後就不能再取了,因為如果能夠轉到y,那麼sg(y)!=0,對方又可以讓y轉到sg值為0的狀態,直至沒有前驅。

乙個局面x,設y=sg(x),那麼它就相當於有y顆石子的堆。

對於局面(x1,x2,...,xn),它有子局面x1,x2,...,xn,那麼就相當於有n堆石子,分別有sg(x1),sg(x2),...,sg(xn)顆石子。

所以局面(x1,x2,...,xn)為必敗態當且僅當sg(x1) xor sg(x2) xor ... xor sg(xn)=0。

並且對於局面(x1,x2,...,xn)不給證明的給出下面的結論,sg((x1,x2,...,xn))=sg(x1) xor sg(x2) xor ... xor sg(xn)。

證明:

對於a1,a2,...,an,設sg=a1 xor a2 xor ... xor an。
引理3

對任意0<=sg'

例題2(poj2960[s-nim])

題目描述:

兩個人玩遊戲,規則是有n堆石子,分別有a1,a2,...,an顆石頭,每次從一堆石子中取一些石子,但是可取的石子數是規定了的,必須是中的乙個,誰無法操作就輸。

輸入格式:

多組資料。

對於每組資料,第一行是有乙個k,接下來有k個數,分別為s1,s2,...,sk。

第二行有乙個數m,表示會給出m個局面。

接下來的m行,先是乙個n,然後有n個數,分別為a1,a2,...,an。

若k=0,表示資料結束。

輸出格式:

對每組資料,輸出一行m個字元組成的字串,分別表示該組資料中的n個局面是必勝態還是必敗態,必勝態用w表示,必敗態用l表示。

樣例輸入:

2 2 5

32 5 12

3 2 4 7

4 2 3 7 12

5 1 2 3 4 5

32 5 12

3 2 4 7

4 2 3 7 12

0樣例輸出:

lwwwwl

資料範圍:

不管了,大家想演算法就行了,不管時空複雜度。

題解:

sg(x)=mex=mex。

例題4(poj2425[a chess game])

題目描述:

兩個人玩遊戲,規則是給定乙個有向無環圖,在一些節點上放了棋子,兩人輪流移動棋子,每次只能選一顆棋子沿邊走一步(乙個地方可以放任意多的棋子),最後如果不能走了就輸。

輸入格式:

多組資料。

每組資料的第一行是n,表示圖有n各節點,依次標號為0,1,...,n-1。

接下來的n行,分別表述0,1,..,n-1的出邊。

這n行,第乙個數x表示出度,接下來的x個數分別為該節點的後繼。

接下來有一些詢問。

每個詢問以乙個數m開頭,若m=0則表示詢問結束,否則有m個數,分別為m個棋子所在的節點編號。

輸出格式:

對每個詢問,如果是先手必勝輸出"win",否者輸出"lose"(不含引號)。

樣例輸入:

42 1 2

01 3

01 0

2 0 204

1 11 200

2 0 1

2 1 1

3 0 1 3

0樣例輸出:

winwin

winlose

win資料範圍:

不管了,大家想演算法就行了,不管時空複雜度。

題解:

對於乙個棋子sg(x)=max。對於m個棋子,sg((x1,x2,...,xm))=sg(x1) xor sg(x2) xor ... xor sg(xm)。

其它題目推薦poj2975[nim],poj2234[matches game],poj1067[取石子遊戲],usaco[holiday 2010 bonus competition/glod]rocks。

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