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有一堆个数为n的石子,游戏双方轮流取石子,满足:
1)先手不能在第一次把所有的石子取完;
2)之后每次可以取的石子数介于1到对手刚取的石子数的2倍之间(包含1和对手刚取的石子数的2倍)。
约定取走最后一个石子的人为赢家,求必败态。
这个和之前的Wythoff’s Game和取石子游戏有一个很大的不同点,就是游戏规则的动态化。之前的规则中,每次可以取的石子的策略集合是基本固定的,但是这次有规则2:一方每次可以取的石子数依赖于对手刚才取的石子数。
这个游戏叫做Fibonacci Nim,肯定和Fibonacci数列:1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,…有密切的关系。如果试验一番之后,可以猜测:先手胜当且仅当n不是Fibonacci数。必败态构成Fibonacci数列。
就像“Wythoff博弈”需要“Beatty定理”来帮忙一样,这里需要借助“Zeckendorf定理”(齐肯多夫定理):任何正整数可以表示为若干个不连续的Fibonacci数之和。定理的证明可以在这里看到,不过我觉得更重要的是自己动手分解一下。
比如,我们要分解83,可以写成83=55+28,而28=21+7,7=5+2,故83=55+21+5+2;
如果n=83,我们看看这个分解有什么指导意义:假如先手取2颗,那么后手无法取5颗或更多,而5是一个Fibonacci数,如果猜测正确的话,(面临这5颗的先手实际上是整个游戏的后手)那么一定是先手取走这5颗石子中的最后一颗,而这个我们可以通过第二类归纳法来绕过,同样的道理,接下去先手取走接下来的后21颗中的最后一颗,再取走后55颗中的最后一颗,那么先手赢。
反过来如果n是Fibonacci数,比如n=89:如果先手第一次取的石子不小于34颗,那么一定后手赢,因为89-34=55=34+21<2*34,所以只需要考虑先手第一次取得石子数<34即可,于是剩下的石子数x介于55到89之间,它一定不是一个Fibonacci数,于是我们把x分解成Fibonacci数:x=55+f[i]+…+f[j],如果f[j]<=先手一开始所取石子数y的两倍,那么对B就是面临x局面的先手,所以根据之前的分析,B只要先取f[j]个即可,以后再按之前的分析就可保证必胜。
下证:f[j]<=2y
反证法:假设f[j]>2y,则 y<f[j]/2=(f[j-1]+f[j-2])/2<f[j-1]
从而 f[k]=x+y<f[k-1]+f[i]+…+f[j]+f[j-1]<=f[k-1]+f[i]+f[i-1]<=f[k-1]+f[k]=f[k],矛盾。