斐波那契博弈(Fibonacci Nim)

有一堆個數爲n(n>=2)的石子,遊戲雙方輪流取石子,規則如下:

1)先手不能在第一次把所有的石子取完,至少取1顆;

2)之後每次可以取的石子數至少爲1,至多爲對手剛取的石子數的2倍。

約定取走最後一個石子的人爲贏家,求必敗態。

結論:當n爲Fibonacci數的時候,必敗。

f[i]:1,2,3,5,8,13,21,34,55,89……


用第二數學歸納法證明:

爲了方便,我們將n記爲f[i]。

1、當i=2時,先手只能取1顆,顯然必敗,結論成立。

2、假設當i<=k時,結論成立。

     則當i=k+1時,f[i] = f[k]+f[k-1]。

     則我們可以把這一堆石子看成兩堆,簡稱k堆和k-1堆。

    (一定可以看成兩堆,因爲假如先手第一次取的石子數大於或等於f[k-1],則後手可以直接取完f[k],因爲f[k] < 2*f[k-1])

     對於k-1堆,由假設可知,不論先手怎樣取,後手總能取到最後一顆。下面我們分析一下後手最後取的石子數x的情況。

     如果先手第一次取的石子數y>=f[k-1]/3,則這小堆所剩的石子數小於2y,即後手可以直接取完,此時x=f[k-1]-y,則x<=2/3*f[k-1]。

     我們來比較一下2/3*f[k-1]與1/2*f[k]的大小。即4*f[k-1]與3*f[k]的大小,對兩值作差後不難得出,後者大。

     所以我們得到,x<1/2*f[k]。

     即後手取完k-1堆後,先手不能一下取完k堆,所以遊戲規則沒有改變,則由假設可知,對於k堆,後手仍能取到最後一顆,所以後手必勝。

     即i=k+1時,結論依然成立。


那麼,當n不是Fibonacci數的時候,情況又是怎樣的呢?

這裏需要藉助“Zeckendorf定理”(齊肯多夫定理):任何正整數可以表示爲若干個不連續的Fibonacci數之和。

關於這個定理的證明,感興趣的同學可以在網上搜索相關資料,這裏不再詳述。

分解的時候,要取儘量大的Fibonacci數。

比如分解85:85在55和89之間,於是可以寫成85=55+30,然後繼續分解30,30在21和34之間,所以可以寫成30=21+9,

依此類推,最後分解成85=55+21+8+1。

則我們可以把n寫成  n = f[a1]+f[a2]+……+f[ap]。(a1>a2>……>ap)

我們令先手先取完f[ap],即最小的這一堆。由於各個f之間不連續,則a(p-1) > ap  + 1,則有f[a(p-1)] > 2*f[ap]。即後手只能取f[a(p-1)]這一堆,且不能一次取完。

此時後手相當於面臨這個子游戲(只有f[a(p-1)]這一堆石子,且後手先取)的必敗態,即先手一定可以取到這一堆的最後一顆石子。

同理可知,對於以後的每一堆,先手都可以取到這一堆的最後一顆石子,從而獲得遊戲的勝利。


部分參考:http://yjq24.blogbus.com/logs/46150651.html

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