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对称摆硬币游戏:趣味数学教学成果

时间:2023-08-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:下面是一个著名的古典对策游戏:两个人坐在一张普通的圆桌子旁,轮流往桌面上摆硬币,双方约定,所放的硬币必须是同样币值的,且均须平放而不许重叠。在数学家看来,整个对策游戏处于对称状态。如若把第一枚硬币摆在圆桌的中央,然后按“对称”原则,每当对方放下一枚硬币的时候,我们就在圆桌中心为轴心,与硬币对称的位置下也放一枚。只要对方尚有地方放,我方也一定会有对称的地方放,直到对方无处可放为止。

对称摆硬币游戏:趣味数学教学成果

对数学家来说,一种有意义的对策或游戏,往往不必进行到最后,便能洞悉最终的结局,有时甚至一开初就能捕捉住决胜的机遇。

下面是一个著名的古典对策游戏:两个人坐在一张普通的圆桌子旁,轮流往桌面上摆硬币,双方约定,所放的硬币必须是同样币值的,且均须平放而不许重叠。谁在桌上放下最后一枚硬币,他就是胜利者。

对这个问题,数学家们将作何评论呢?他们会毫不迟疑地说:“要是我,一定选择先放!”

在数学家看来,整个对策游戏处于对称状态。如若把第一枚硬币摆在圆桌的中央,然后按“对称”原则,每当对方放下一枚硬币的时候,我们就在圆桌中心为轴心,与硬币对称的位置下也放一枚。只要对方尚有地方放,我方也一定会有对称的地方放,直到对方无处可放为止。这种游戏的获胜策略,在数学家的脑海里是无与伦比的清晰。

冯·诺依曼(John Von Neumann,1903~1957)是当代杰出的数学家,对策论的创始人。有一次,有人向他请教一个游戏问题:九张扑克牌,分别是 A(作为一点)、2、3、…、9。两人轮流取一张牌,已取走的牌不能重新放回去,谁手中有三张牌的点数加起来会等于15,就算谁赢。问要怎样取牌才能获胜呢?冯·诺依曼教授想了一分钟,说道:“唷!这个游戏倒有点意思。先走的人略占便宜,但是后走的人如果应付得当,一定可以打成平局。”经教授点破后,请教的人终于恍然大悟。

那么在冯·诺依曼教授的眼里,这是怎样的一个问题呢?大家一定还记得《数学世界的“海市蜃楼”》一节里讲到的幻方“洛书”吧!游戏中要求拿到的三张牌的点数为15,实则就是要尽量使自己所拿的三张牌,恰好是洛书中的某行、某列或对角线上的三个数字。这样,我们所讲的对策问题,跟大家所熟悉的“吃#字”游戏,是完全一样的。“吃井字”的玩法是:两人轮流在一个井字格里分别画“○”或“×”,谁能把自己所画的“○”或“×”连成一直线,谁就算赢。

并不是所有对策游戏的决胜策略,都象上面讲到的那样简单。有时数学家对游戏中所用的数学手段,其兴致要远远超过游戏本身。

1907年,数学家威索夫(Wythoff)发明了一项两个人玩的游戏。在这个游戏中,两人轮流从甲乙两堆火柴中移走一些火柴。开始时每堆火柴的数目是任意的,比如各为p和q。我们用有序数偶(p、q)来表示此时火柴的状态。

游戏的规则是这样的,每次可用以下三种方法之一移动火柴。

(1)从甲堆中移走一些火柴;

(2)从乙堆中移走一些火柴;

(3)从两堆中各移走数目相同的火柴

代数方法表达这些规则就是,把(p,q)变成下列三种有序数偶之一:(p-t,q),(p,q-t),(p-t,q-t)。由于规定每次移动至少要有一根火柴,所以t≥1。不过t的选取取决于参加游戏的人,甚至可以取走整个一堆,只是谁取走最后一根火柴算谁赢。

例如,开始游戏时的火柴状态为(17,14),由A先拿:

A拿成(16,13),B拿成(9,13);

A拿成(9,7),B拿成(6,7);

A拿成(4,7),B拿成(4,2);

A拿成(1,2)*,B拿成(1,1),(0,1),(0,2)或(1,0);

A拿成(0,0)* 获胜。(www.xing528.com)

不难看到,A达到打有“·”号的数偶(1,2)是关键的一着,因为此时A实际已经取胜,此后B无论怎样应对,都难免于失败。所以(1,2)我们称为获胜位置。当然,(0,0)更是获胜位置。

从最末一个获胜位置(0,0)开始,我们可以推出如下一张获胜位置表,这张表可以通过逐一尝试到:

例如,当A拿成(3,5)时,此后无论B怎样应付都有:

B(3,4);A(1,2)*胜。

B(3,3);A(0,0)胜。

B(3,2);A(2,1)*胜。

B(3,1);A(2,1)*胜。

B(3,0);A(0,0)胜。

B(2,5);A(2,1)*胜。

B(1,5);A(1,2)*胜。

B(0,5);A(0,0)胜。

因此得出(3,5)也是一个获胜位置,等等。可以看出,上表中的p、q有以下规律:

(1)表中的1p-q1栏,按自然顺序递推;

(2)除0以外,p、q两栏的数字,既不重复又不遗漏地包含了所有的自然数

(3)表中某个获胜位置的p值,恰是前面所有获胜位置中尚未出现过的最小自然数。

根据上面三条,我们能够把获胜位置的表,无限制地延续下去。如表中紧接着未写出的获胜位置(m,n)可以这样推出:首先m应是前面没出现过的最小整数,即得m=14,又n-m=9,得n=23。从而,表中下一个获胜位置为(14,23)。如此等等。

威索夫教授证明了:一旦某甲达到了某个获胜位置,那么某乙接下去绝不可能达到表中的其他获胜位置。反过来,如果某乙所达的位置不在表中,则某甲接下去一定有办法把它拿成表中的获胜位置。也就是说,某甲一旦拿成获胜位置,那么实际上他已经稳操胜券。

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