组合博弈--三大基本博弈

从网上找了各种博弈论资料，接下来这几篇博客就统一汇总一下。

博弈论更新第一篇-------三大基本博弈

先介绍一种很有意思的游戏，就是有物体若干堆，可以是火柴棍或是围棋子等等均可。两个人轮流从堆中取物体若干，规定最后取光物体者取胜。这是我国民间很古老的一个游戏，别看这游戏极其简单，却蕴含着深刻的数学原理。下面我们来分析一下要如何才能够取胜。

（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。

看完可以练练手： hdu 1846 Brave Game

（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：

奇异局势的性质+证明

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。	见下方

    假设

1.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）；

2.如果a = ak ，b > bk，那么，取走b  – bk个物体，即变为奇异局势；

3.如果a > ak ，b= ak + k,则从第一堆中拿走多余的数量a – ak 即可；

4.如果 a = ak ，  b < bk ,则同时从两堆中拿走 ak – ab – ak个物体,变为奇异局势（ ab – ak , ab – ak+ b – ak）；

换个说法，从两堆中拿走 a - a[b-a] 个物体，变为（a[b-a], b[b-a]）。解释见下方注释1.

5.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)

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。

l练练手：poj 1067 取石子游戏

#include 
#include 
#include 
 
int main(){
    int a,b,k,a_k;
    while(scanf("%d%d",&a,&b)!=EOF){
         k = abs(a-b);
         a = a < b? a : b;
         a_k = floor(k*(1.0 + sqrt(5.0))/2);
         printf("%d\n",a!=a_k);
         //输出为0，说明该点为必败点，1为必胜点
    }
    return 0;
}
/*
k = | a - b |,  a[k] =  [ k（1+√5）/2], 如果 a,b中的最小值， min{a,b} 与 a[k]相等，那么 他就是奇异局势。
*/

（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，按位异或）

    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,    [注意到异或运算的交换律和结合律，及aa=0，]

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。​​​​​​​

所以从一个非奇异局势向一个奇异局势转换的方式可以是以下三种方式：

1）使 a = c ​​​​​​​  b

2）使 b = a ​​​​​​​  c

3）使 c = a ​​​​​​​  b

例1。（14，21，39），1421=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），5581=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），2945=48，58-48=10，从58中拿走10个，变为（29，4
5，48）。
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。

注释1：因为奇异局势的项数是有 b[k] - a[k] 的差决定，每一个奇异局势的项数都是独一无二的。也就是说，我们 只能将 (a , b) (a = a[k], b < b[k])转化为 （a[b-a], b[b-a]）。因为他们的差是确定的始终都是 b-a，故可以转化为 第 b-a 项。由此我们可以 将  (a , b) (a = a[k], b < b[k]) 转化为奇异局势 （a[b-a], b[b-a]）也就是 （ a[b-a], a[b-a] + b - a）。所以我们可以逆推得出，只要将 两边 同时减去 a - a[b-a] 即可。

取火柴的游戏

题目1：今有若干堆火柴，两人依次从中拿取，规定每次只能从一堆中取若干根， 
可将一堆全取走，但不可不取，最后取完者为胜，求必胜的方法。 
题目2：今有若干堆火柴，两人依次从中拿取，规定每次只能从一堆中取若干根， 
可将一堆全取走，但不可不取，最后取完者为负，求必胜的方法。

先解决第一个问题吧

定义：若所有火柴数异或为0，则该状态被称为利他态，用字母T表示；否则，为利己态，用S表示。
[定理1]：对于任何一个S态，总能从一堆火柴中取出若干个使之成为T态。
证明：
    若有n堆火柴，每堆火柴有A(i)根火柴数，那么既然现在处于S态，
      c = A(1) xor A(2) xor … xor A(n) > 0;
    把c表示成二进制，记它的二进制数的最高位为第p位，则必然存在一个A(t),它二进制的第p位也是1。（否则，若所有的A(i)的第p位都是0，这与c的第p位就也为0矛盾）。
    那么我们把x = A(t) xor c,则得到x < A(t).这是因为既然A(t)的第p位与c的第p位同为1,那么x的第p位变为0,而高于p的位并没有改变。所以x < A(t).而
    A(1) xor A(2) xor … xor x xor … xor A(n)
  = A(1) xor A(2) xor … xor A(t) xor c xor … xor A(n)
  = A(1) xor A(2) xor… xor A(n) xor A(1) xor A(2) xor … xor A(n)
  = 0
这就是说从A(t)堆中取出 A(t) – x 根火柴后状态就会从S态变为T态。证毕
[定理2]：T态，取任何一堆的若干根，都将成为S态。
证明：用反证法试试。
      若
      c = A(1) xor A(2) xor … xor A(i) xor … xor A(n) = 0；
      c’ = A(1) xor A(2) xor … xor A(i’) xor c xor … xor A(n) = 0;
      则有
c xor c’ = A(1) xor A(2) xor … xor A(i) xor … xor A(n) xor A(1) xor A(2) xor … xor A(i’) xor c xor … xor A(n) = A(i) xor A(i’) =0
      进而推出A(i) = A(i’)，这与已知矛盾。所以命题得证。
[定理 3]：S态，只要方法正确，必赢。 
  最终胜利即由S态转变为T态，任何一个S态，只要把它变为T态，（由定理1，可以把它变成T态。）对方只能把T态转变为S态(定理2)。这样，所有S态向T态的转变都可以有己方控制，对方只能被动地实现由T态转变为S态。故S态必赢。
[定理4]：T态，只要对方法正确，必败。 由定理3易得。

 
接着来解决第二个问题。

定义：若一堆中仅有1根火柴，则被称为孤单堆。若大于1根，则称为充裕堆。
定义：T态中，若充裕堆的堆数大于等于2，则称为完全利他态，用T2表示；

                        若充裕堆的堆数等于0，则称为部分利他态，用T0表示。

[定理5]：S0态，即仅有奇数个孤单堆，必败。T0态必胜。 
证明：
S0态，其实就是每次只能取一根。每次第奇数根都由己取，第偶数根都由对方取，所以最后一根必己取。败。

同理,  T0态必胜 #
[定理6]：S1态，只要方法正确，必胜。 
证明：
若此时孤单堆堆数为奇数，把充裕堆取完；否则，取成一根。这样，就变成奇数个孤单堆，由对方取。由定理5，对方必输。己必胜。  # 
[定理7]：S2态不可转一次变为T0态。 
证明：
充裕堆数不可能一次由2变为0。得证。  # 
[定理8]：S2态可一次转变为T2态。 
证明：
由定理1，S态可转变为T态，态可一次转变为T态，又由定理6，S2态不可转一次变为T0态，所以转变的T态为T2态。  # 
[定理9]：T2态，只能转变为S2态或S1态。 
证明：
由定理2，T态必然变为S态。由于充裕堆数不可能一次由2变为0，所以此时的S态不可能为S0态。命题得证。 
[定理10]：S2态，只要方法正确，必胜. 
证明：
方法如下： 
      1）  S2态，就把它变为T2态。（由定理8） 
      2）  对方只能T2转变成S2态或S1态（定理9）
    若转变为S2,  转向1） 
    若转变为S1,  这己必胜。（定理5） 
[定理11]：T2态必输。 
证明：同10。 
综上所述，必输态有：  T2,S0 
          必胜态：    S2,S1,T0. 
 

两题比较： 
第一题的全过程其实如下： 
S2->T2->S2->T2->  ……  ->T2->S1->T0->S0->T0->……->S0->T0(全0) 
第二题的全过程其实如下： 
S2->T2->S2->T2->  ……  ->T2->S1->S0->T0->S0->……->S0->T0(全0) 
下划线表示胜利一方的取法。  是否发现了他们的惊人相似之处。 
我们不难发现(见加红部分)，S1态可以转变为S0态（第二题做法），也可以转变为 
T0（第一题做法）。哪一方控制了S1态，他即可以有办法使自己得到最后一根（转变为 
T0）,也可以使对方得到最后一根（转变为S0） 
  所以，抢夺S1是制胜的关键！ 
  为此，始终把T2态让给对方，将使对方处于被动状态，他早晚将把状态变为S1.
 

推荐hdu题目
http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1907
http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=2509
看完上面的结论，就能顺利解决上面2道了

S-Nim
http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1536
http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1944​​​​​​​

参考：

https://blog.csdn.net/luomingjun12315/article/details/45479073

最近在学博弈论，争取五一之前把它啃完！！！