(Тут будет о истории Ним и подобных играх, так что если лень, листайте сразу до "Об определении стратегии" (Это под 2 картинкой))
Сосредоточим внимание на так называемых стратегических играх. Их можно разделить на два типа. Те, что описываются простыми правилами, длятся короткое время и количество информации в которых ограничено или относительно невелико, будем называть малыми стратегическими играми.
В других, подобных шахматам или го, полный контроль невозможен ввиду длительности партии, сложности правил и в особенности из-за огромного числа возможных ходов в каждой позиции. На примере малых стратегических игр мы увидим, как математика используется в анализе игр для определения преимущества одного из игроков и для нахождения выигрышной стратегии.
Взаимосвязь между математикой и играми может касаться различных аспектов игр. Применительно к стратегическим играм математика особенно полезна для определения выигрышной стратегии. Стратегическая игра очень похожа на процесс решения математической задачи: речь идет не о том, чтобы выиграть одну партию, совершая более удачные ходы, но о том, чтобы найти способ, как выигрывать всегда. По этой причине при определении выигрышных стратегий используются эвристические методы: способ «от обратного»; предположение, что игра «решена»; применение симметрии; проведение аналогии с другой, уже решенной игрой и прочие. Они аналогичны тем, что используются при решении математических задач. Поэтому когда для некоторой игры известна выигрышная стратегия, игра из развлечения превращается в решенную задачу. Понятно, что это верно только для определенных игр, которые выходят за рамки простых развлечений и описываются в математических теориях. О подобных теориях, порой достаточно сложных, мы, возможно, поговорим позже.
Суть малой стратегической игры для двух игроков, известной под названием Ним, заключается в том, что игроки выкладывают на стол одну или несколько групп фишек и определяют правила, по которым нужно снимать фишки со стола. Цель игры — взять последнюю фишку либо, наоборот, заставить противника взять последнюю фишку. Происхождение этой игры неизвестно. Некоторые считают, что она родом с Востока. Также неясно и происхождение названия. Среди возможных версий — староанглийское слово «ним», означавшее «брать», «красть». Некто очень остроумный заметил, что если применить к слову NIM центральную симметрию, получится слово WIN — «выиграть» в переводе с английского. Как бы то ни было, игре Ним больше ста лет: первый анализ выигрышной стратегии для игр
подобного типа был впервые опубликован в 1902 году математиком Гарвардского университета Чарльзом Леонардом Боутоном.
Эта игра приобрела популярность в Европе в 70-е годы XX века благодаря фильму французского режиссера Алена Рене «В прошлом году в Мариенбаде» (1961). Герои фильма несколько раз играют в один из вариантов этой игры. Поэтому версия игры из фильма (она будет рассматриваться в следующих постах под названием «Игра 5») иногда называется Мариенбад — по имени маленького курортного города в Чехии, где происходит действие картины.
Определение общей выигрышной стратегии, применимой к любой игре такого типа, — одно из ярчайших проявлений того, как математика используется для анализа игр, и в особенности того, насколько эффективно представление чисел в двоичной системе.
Сначала мы проанализируем игры с одной группой фишек, в которых на каждом ходу можно брать со стола минимум одну и максимум n фишек. Мы рассмотрим два частных случая, затем приведем обобщение. Самый простой вариант подобной игры таков.
Игра 1: выигрывает первый
На стол выкладываются 20 фишек одного цвета. На каждом ходу один из двух игроков может брать одну или две фишки. Тот, кто берет последнюю фишку, выигрывает. Какой из игроков имеет преимущество — тот, кто ходит первым, или второй участник? Как нужно играть, чтобы всегда выигрывать? Что произойдет, если изменится число фишек? Что поменяется, если мы изменим правила игры и тот, кто берет последнюю фишку, будет проигрывать? Это достаточно простая игра, поэтому ее можно проанализировать полностью, определить выигрышную стратегию и обобщить ее для любого числа фишек. Если вы незнакомы с этой игрой, перед прочтением попробуйте сыграть в нее самому и постараться ответить на заданные выше вопросы.
Сыграв несколько партий, вы быстро обнаружите, что если кто-то из игроков оставил на столе 3 фишки, то следующим ходом он обязательно выигрывает. Верно подмечено, но это не поможет нам всегда выигрывать: мы не знаем, какие ходы нужно совершать, чтобы на столе осталось 3 фишки. Но теперь мы знаем, что выигрывает тот, кто взял фишку номер 17. Таким образом, число фишек в игре сокращается. Сделав еще один подобный шаг, мы увидим, что игрок, оставивший на столе 6 фишек, тоже будет всегда выигрывать. В общем, всегда выигрывает тот, кто оставляет на столе число фишек, кратное 3. Это позволяет сформулировать выигрышную стратегию: когда в начальной позиции на столе 20 фишек, первый игрок будет всегда выигрывать, если будет брать первым ходом 2 фишки и затем всегда оставлять на столе количество фишек, кратное 3 (если второй игрок снимает одну
фишку, первый игрок должен взять две, и наоборот). В этой игре первый игрок имеет преимущество, так как для него существует выигрышная стратегия.
Изменение начального количества фишек может частично повлиять на эту стратегию и даже на то, какой из игроков будет иметь преимущество. Теперь мы знаем, что выигрышная стратегия состоит в том, чтобы оставлять на столе число фишек, кратное 3. Чтобы узнать, на чьей стороне преимущество, достаточно разделить начальное количество фишек на 3 и посмотреть, каков остаток от деления. Если остаток равен 2 (как в исходном случае), то первый игрок всегда выигрывает, если берет первым ходом 2 фишки, а затем оставляет на столе число фишек, кратное 3 (если противник берет одну фишку, первый игрок берет две, и наоборот). Если остаток от деления равен 1 (например, число фишек равно 19, 25, 100 или 2017), то первый игрок также выигрывает. Для этого достаточно взять первым ходом одну фишку. Наконец, если остаток равен 0 (количество фишек делится на 3), то выигрывает второй игрок: ему нужно взять две фишки, если первый игрок взял одну, и наоборот. В этом случае первый игрок никогда не сможет оставить на столе число фишек, кратное 3.
Таким образом, мы обобщили игру для любого начального числа фишек. Игру
можно обобщить и дальше, изменив число фишек, которые можно брать на каждом
ходу.
Игра 2: выигрывает второй
Первый игрок пишет на бумаге число от 1 до 10. Второй игрок придумывает число от 1 до 10 и записывает результат сложения этого числа с первым. На каждом ходу игрок прибавляет к общей сумме новое придуманное им число от 1 до 10. Тот игрок, который запишет трехзначное число (100 и больше), проигрывает. Как нужно играть, чтобы выигрывать? Какой из игроков имеет преимущество: тот, кто ходит первым или вторым? Что произойдет, если изменится цель игры или правила?
Как уже предлагалось ранее, будет удобно сыграть несколько партий самому, чтобы попытаться определить выигрышную стратегию для одного из игроков и понять, как эта игра связана с предыдущей. Будем анализировать игру следующим образом: если проигрывает тот, кто напишет 100, выигрывает тот, кто напишет 99. Какое число нужно написать до этого, чтобы гарантированно получить 99 на следующем ходу? Это 88, так как в этом случае противник напишет любое число между 89 и 98, после чего первый игрок легко получит 99. Как и в прошлой игре, продолжая подобные рассуждения (перейдя к числу 88, затем 77, 66, ..., 11), мы увидим, что на этот раз нужно формировать группы по 11. Теперь нам известна выигрышная стратегия: тот, кто первым записывает 11 и последующие числа, кратные 11, первым получит 99 и выиграет. Если противник прибавляет n, нужно прибавлять 11 - n. Так как на первом ходу первый игрок не может получить 11, а второй может, это означает, что существует выигрышная стратегия для второго игрока. Как и в прошлой игре, при изменении конечного числа будет выигрывать первый игрок, если это число не будет кратно 11. Если это число будет делиться на 11, всегда будет побеждать второй игрок.
Игра 3: общий случай
Допустим, что на столе m фишек и каждым ходом можно брать от 1 до m фишек (n < m). Выигрывает тот, кто забирает последнюю фишку. Для какого из игроков существует выигрышная стратегия — для первого или второго? В чем она заключается? Если игрок, взявший последнюю фишку, будет проигрывать, как изменится стратегия?
Речь идет не об одной игре, а о группе абстрактных игр. Две предыдущие игры — ее частные случаи. Следовательно, выигрышная стратегия для этой игры — это общая стратегия, которая применима к бесконечному множеству аналогичных игр. Эта стратегия формулируется так. Поделим m на n + 1 и определим остаток от деления. Он будет находиться в интервале от 0 до n. Возможны два случая:
1. Остаток от деления равен 0. В этом случае существует выигрышная стратегия для второго игрока, который должен оставлять на столе число фишек, кратное n + 1. Для этого на каждом ходу, если первый игрок берет ρ фишек (0 < ρ < n + 1), второй должен брать
n + 1 - ρ фишек. Это число всегда положительно, так как находится на интервале от 0 до n.
2. Остаток от деления равен r (0 < r < n + 1).В этом случае существует выигрышная стратегия для первого игрока. На первом ходу он должен взять r фишек, оставив на столе число фишек, кратное n + 1. Теперь он может действовать подобно второму игроку из первого случая. Иными словами, если второй игрок берет ρ фишек (0 < ρ < n + 1), первый должен взять n + 1 - ρ.
Это общее решение применимо к бесконечному множеству игр. Вы можете применить его для такой игры: на столе 2010 фишек, на каждом ходу можно брать от 1 до 49 фишек. Для какого игрока существует выигрышная стратегия? В чем она заключается? Если мы изменим правила и тот, кто берет последнюю фишку, будет проигрывать, то достаточно заметить следующее: для победы будет достаточно взять предпоследнюю фишку, оставив на столе всего одну. В этом случае стратегия не изменится, просто нужно будет учесть, что число фишек равно
m - 1, а не m.
...для победы будет достаточно взять предпоследнюю фишку, оставив на столе всего одну. В этом случае стратегия не изменится, просто нужно будет учесть, что число фишек равно
m - 1, а не m.
Вроде бы автор дал нам все что надо, что бы найти выигрышную стратегию для такого случая. Но для таких как я, которых не поняли у кого преимущество объясню подробнее:
В этом случае если, игрок берёт последнюю фишку и проигрывает, то определение преимущества немного меняется.
Стратегия остаётся той же: поделим m на n + 1 и определим остаток от деления.
Но теперь нам нужны другие остатки от деления.
Если остаток 0 или от 2 до n - 1 (1 ; n), то действует случай 2.
Соответственно, если остаток 1 или n, то действует случай 1. Все эти случаи описаны выше, но для них добавляется одна маленькая деталь:
теперь надо оставлять на столе число фишек равное i + 1 (i - это число кратное n + 1).
Все подобные игры, в которых используется только одна группа фишек, можно
считать упрощенными вариантами игры Ним, о которой я напишу в следующем посте.
