博弈论（Nim游戏的扩展）

代码代码快快显灵2024-08-29 16:07

公平组合游戏ICG

若一个游戏满足:

1.由两名玩家交替行动;

2.在游戏进程的任意时刻，可以执行的合法行动与轮到哪名玩家无关;

3.不能行动的玩家判负;

则称该游戏为一个公平组合游戏。

NIM博弈属于公平组合游戏，但城建的棋类游戏，比如围棋，就不是公平组合游戏

必胜状态和必败状态

必胜状态，先手进行某一个操作，留给后手是一个必败状态时，对于先手来说是一个必胜状态 。即先手可以走到某一个必败状态。

必败状态，先手无论如何操作，留给后手都是一个必胜状态时，对于先手来说是一个必败状态 。即先手走不到任何一个必败状态。

  • **如果当前局面所有石堆的异或和（Nim和）为0，那么无论如何操作，当前玩家都处于必败态；**如果当前局面是必败态，则无论如何操作，另一方总有必胜的策略。

  • **如果当前局面所有石堆的异或和（Nim和）不为0，那么当前玩家可以通过正确的策略使对手进入必败态，因此当前玩家处于必胜态。**如果当前局面是必胜态，玩家可以通过正确操作将局面转化为必败态，从而保证胜利。

异或运算三个性质：

①任何数和 0做异或运算，结果仍然是原来的数

②任何数和其自身做异或运算，结果是 0

③异或运算满足交换律和结合律

cpp 复制代码 
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
using ll = long long;

int main() {
    ios::sync_with_stdio(0),cin.tie(0),cout.tie(0);
    int n; cin >> n;
    int res = 0;
    for(int i = 0; i < n; i++){
        int x; cin >> x;
        res^=x;
    }
    if(res) cout << "Yes\n";
    else cout <<"No\n";
    return 0;
}

台阶-Nim游戏

与经典Nim的区别

  • 在经典的Nim游戏中，石子堆是独立的，而在台阶-Nim中，台阶之间可能存在关联。例如，某个台阶上的石子数量可能会影响其他台阶的策略

结论：

此时我们需要将奇数台阶看做一个经典的Nim游戏，如果先手时奇数台阶上的值的异或值为0，则先手必败，反之必胜。

证明：

先手时，如果奇数台阶异或非0，根据经典Nim游戏，先手总有一种方式使奇数台阶异或为0，于是先手留了奇数台阶异或为0的状态给后手，此时先手必赢。

于是轮到后手：

①当后手移动偶数台阶上的石子到奇数台阶上时，先手只需将对手移动的石子继续移到下一个台阶，这样奇数台阶的石子相当于没变，奇数异或和仍是非0， 于是留给后手的又是奇数台阶异或为0的状态

②当后手移动奇数台阶上的石子到偶数台阶上时，留给先手的奇数台阶异或非0，根据经典Nim游戏，先手总能找出一种方案使奇数台阶异或为0

因此无论后手如何移动，先手总能通过操作把奇数异或为0的情况留给后手，当奇数台阶全为0时，只留下偶数台阶上有石子。

因此如果先手时奇数台阶上的值的异或值为非0，则先手必胜，反之必败！

cpp 复制代码 
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
using ll = long long;

int main() {
    ios::sync_with_stdio(0),cin.tie(0),cout.tie(0);
    int n; cin >> n;
    int res = 0;
    for(int i = 1; i <= n; i++){
        int x; cin >> x;
        if(i & 1)
        res^=x;
    }
    if(res) cout << "Yes\n";
    else cout <<"No\n";
    return 0;
}

集合-Nim游戏：

1.Mex运算:
设S表示一个非负整数集合.定义mex(S)为求出不属于集合S的最小非负整数运算
例如:S={0,1,2,4},那么mes(S)=3;

2.SG函数

  • 对于一个游戏状态 x，SG函数值 表示从该状态出发，所有可能的后续状态的SG值所能达到的"最小非负整数"（Mex）。
  • 具体来说，若从状态 x通过合法操作可以到达的所有状态的SG值分别为 那么 就是一个不在这些SG值集合中的最小非负整数。

SG函数的性质：类似于经典的Nim游戏

  • 必败态 （Losing Position）：对于某个状态 x，如果 那么当前处于该状态的玩家将无法避免失败（即在对方采取最优策略的情况下无论如何都会输）。
  • 必胜态 （Winning Position）：对于某个状态 x，如果 ，那么当前处于该状态的玩家有策略可以使对手进入必败态。也就是先手一定会胜利。

递归计算：

例如s = [2,5],x = 10时递归得到

初始状态：
  • f[x] 是用来存储每个x的SG值的数组，初始时f[x]的所有值都被设置为-1（表示尚未计算过）。
  • x = 10 是我们要计算的状态，s = [2, 5] 是可供选择的石子数。
计算 sg(10) 的过程：

  1. 调用 sg(10)：

    • 首先检查 f[10]，因为f[10] = -1，说明还没有计算过，所以继续计算。
    • 初始化集合 S。

  2. 遍历 s[i]：

    • 对 s[0] = 2：
      • 因为 10 >= 2，所以我们递归调用 sg(10 - 2) = sg(8)。
    • 对 s[1] = 5：
      • 因为 10 >= 5，所以我们递归调用 sg(10 - 5) = sg(5)。

  3. 递归调用 sg(8)：

    • 首先检查 f[8]，因为f[8] = -1，所以继续计算。
    • 初始化集合 S。
    • 遍历 s[i]：
      • 对 s[0] = 2：
        • 因为 8 >= 2，所以我们递归调用 sg(8 - 2) = sg(6)。
      • 对 s[1] = 5：
        • 因为 8 >= 5，所以我们递归调用 sg(8 - 5) = sg(3)。

  4. 递归调用 sg(6)：

    • 首先检查 f[6]，因为f[6] = -1，所以继续计算。
    • 初始化集合 S。
    • 遍历 s[i]：
      • 对 s[0] = 2：
        • 因为 6 >= 2，所以我们递归调用 sg(6 - 2) = sg(4)。
      • 对 s[1] = 5：
        • 因为 6 >= 5，所以我们递归调用 sg(6 - 5) = sg(1)。

  5. 递归调用 sg(4)：

    • 首先检查 f[4]，因为f[4] = -1，所以继续计算。
    • 初始化集合 S。
    • 遍历 s[i]：
      • 对 s[0] = 2：
        • 因为 4 >= 2，所以我们递归调用 sg(4 - 2) = sg(2)。
      • 对 s[1] = 5：
        • 因为 4 < 5，所以跳过。

  6. 递归调用 sg(2)：

    • 首先检查 f[2]，因为f[2] = -1，所以继续计算。
    • 初始化集合 S。
    • 遍历 s[i]：
      • 对 s[0] = 2：
        • 因为 2 >= 2，所以我们递归调用 sg(2 - 2) = sg(0)。
      • 对 s[1] = 5：
        • 因为 2 < 5，所以跳过。

  7. 递归调用 sg(0)：

    • sg(0)是一个基本情况，因为没有石子可以取走，故f[0] = 0，返回 0。

  8. 接下来如上继续.....

cpp 复制代码 
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
using ll = long long;
const int N = 110, M = 10010;
int n,m;
int s[N],f[M];//s存储的是可供选择的石子数, f存储的是所有可能情况的SG值
int sg(int x){
    if(f[x] != -1) return f[x]; // 如果x的SG值已经计算过，直接返回
    set<int> S;
    //S是一个有序集合，用来存储当前状态的所有可能的下一步的SG值
    
    // 循环每一次可以选择拿走的石头数
    for(int i = 0; i < m; i++){
        // 递归计算x减去s[i]后的状态的SG值，并插入到集合S中
        if(x >= s[i]) S.insert(sg(x - s[i]));
    }
    
    //找到不存在的最小自然数
    for(int i = 0; ; i++){
        if(!S.count(i)) return f[x] = i;
    }
}

int main() {
    ios::sync_with_stdio(0),cin.tie(0),cout.tie(0);
    cin >> m;
    for(int i = 0; i < m; i++) cin >> s[i];
    cin >> n;
    memset(f,-1,sizeof f);
    f[0] = 0; //当x为0的时候sg函数返回0
    // 类似于经典的Nim游戏
    int res = 0;
    while(n--){
        int x; cin >> x;
        res ^= sg(x);
    }
    if(res) cout << "Yes\n";
    else cout <<"No\n";
    return 0;
}

拆分-Nim游戏

相比于集合-Nim，这里的每一堆可以变成小于原来那堆的任意大小的两堆

即a[i]可以拆分成(b[i],b[j]),为了避免重复规定b[i]>=b[j] 即：a[i]>b[i]>=b[j]

相当于一个局面拆分成了两个局面，由SG函数理论，多个独立局面的SG值，等于这些局面SG值的异或和。SG(i^j) = SG(i) ^SG(j)

因此需要存储的状态就是sg(b[i])^sg(b[j])，与集合-Nim的唯一区别

cpp 复制代码 
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
using ll = long long;
const int N = 110, M = 10010;
int n,m;
int s[N],f[M];//s存储的是可供选择的石子数, f存储的是所有可能情况的SG值
int sg(int x){
    if(f[x] != -1) return f[x]; // 如果x的SG值已经计算过，直接返回
    set<int> S;//这里可以改为unordered_set<int> S
    //S是一个有序集合，用来存储当前状态的所有可能的下一步的SG值

    for(int i = 0; i < x; i++){
        for(int j = 0; j <= i; j++){
            S.insert(sg(i) ^ sg(j));
        }
    }

    //找到不存在的最小自然数
    for(int i = 0; ; i++){
        if(!S.count(i)) return f[x] = i;
    }
}

int main() {
    ios::sync_with_stdio(0),cin.tie(0),cout.tie(0);
    cin >> n;
    memset(f,-1,sizeof f);
    f[0] = 0;
    // 类似于经典的Nim游戏
    int res = 0;
    while(n--){
        int x; cin >> x;
        res ^= sg(x);
    }
     if(res) puts("Yes");
    else puts("No");
    return 0;
}
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