巧克力问题

问题描述

有一个m*n方格的巧克力,最左上角一个方格有毒,两个人轮流在这个巧克力上选一个方格吃,当一个方格被选了以后,它的右边和下边的所有方格全被吃掉。每个人每轮必须吃,吃到有毒的一方为输。怎么选择你的策略?

背景知识

策梅洛定理(Zermelo's theorem):二人参与的游戏中,如果满足以下条件,那么先行一方有必胜策略或者后行一方有必胜策略。

  • 游戏步骤有限;
  • 信息完备(参与者知晓游戏规则)
  • 不会产生平局
  • 确定性(不存在运气成分或者放水行为)

简单情景

  1. 棋盘只有一行,但多于一格

    先手只需吃掉左上角以外位置的巧克力即可。对于只有一列的棋盘,采取同样的方法。

  1. 棋盘是正方形,但多于一格

    先手只需吃掉位置(2, 2)的巧克力,随后模仿后手的吃法,在另一行或列对称地进行相同的操作。

  1. 棋盘只有两行

    先拿走右下角的一块,随后不管后手选择拿走哪块,都保证上行比下行多一块

Three rowed

用有向图的方法标识可行方案。用点Pi表示棋盘所有的可达状态,并用P和N分别标识所有先者胜或后者胜的状态;用有向边,如(P1, P2),表示存在从状态P1到状态P2的一步可行走法(吃法)。那么,标记有向图中出度为0的点为P,标记至少存在一条边到P点的所有点为N,然后,标记那些所有边到达的都是N状态的点为P,重复操作。

论文[1]陈述了两个结论,并予以证明:

  1. 对任意a≥1,棋盘位置
    P_{1}(a)(a,a-1)
    是一个P position;

  2. 当a, b满足a≥b≥0, 且a-b≠1,棋盘位置
    P_{2}(b)(a,b)
    是一个N position. 并且,当a=b时,下一步应走(a, a-1);当a≥b-2时,下一步应走(b+1, b).

证明(联合归纳):结论1显然是正确的。由结论2,从状态(a, a-1)经一步能到达的状态都是N position,如(a-1, a-1), (a-1, a-2), (a-1, a-3), ..., (a, 0),因此P2(b)隐含P1(a)。并且,a=b或a-b=2,P2(b)隐含在P1(b-1)或P1(b)中。所以有,P1(b-1)和P1(b)隐含P2(b), P2(b-1), ..., p2(1),能推出P1(b)。又P1(1)是一个P position,得证。

对不确定的棋盘大小M*N,不存在一个多项式时间算法。特别地,当M=2时,对于(a, a-1)这样的棋盘,能确定P和N状态,并且能找到先者胜的方案。下面讨论M=3的情况,设P(a, b, c)。

分析:根据最开始的依据,出度为0的点是P点、能一步达P点的是N点和只能从N点一步到达的状态是P点,可以从两行的棋盘总结出如下规律。

N position P position
(b+1, b, 1) (b+1, b, 0)
(1, 1, 1) (1, 0, 0)
(a, 0, 0) (1, 0, 0)
a-b≥2时,(a, a, 0) (a, b, 0)

特别地,当格子数一共有4格或5格时,情况如下:

N position P position
(5, 0, 0) (4, 1, 0) (2, 2, 1) (3, 1, 1)
(4, 0, 0) (3, 1, 0) (2, 2, 0) (2, 1, 1)

由前面的结论,我们知道,

  1. c=1时的P状态只有(2, 2, 1)和(3, 1, 1)

    满足c=1,且格子数至少为6的N状态是以下情况之一:(3, 2, 1), (3, 3, 1), (4+p, 1, 1), (2+p, 2+q, 1),p≥q≥0.

    因为上述四种状态能一步达到P状态,如下:

    (3, 2, 1) —> (3, 1, 1); (3, 3, 1) —> (3, 1, 1); (4+p, 1, 1) —> (3, 1, 1);

    (2+p, 2+q, 1) —> (2, 2, 1)

  2. c=2时,(a, b, 2)为P状态,当且仅当a-b=2

参考资料

【1】Doron Zeilberger, Three-Rowed CHOMP, Department of Mathematics, Temple University, Philadelphia, Pennsylvania 19122, Advances in Applied Mathematics 26, 168–179 (2001)

【2】https://zhuanlan.zhihu.com/p/30377770

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