尼姆游戏
尼姆游戏（英語：Nim），又譯為拈，是一种两个人玩的回合制数学战略游戏。游戏者轮流从幾排棋子（或者任何道具）中選擇一排，再由這一排中取走一个或者多个，依規則不同，拿走最後一個的可能是输家，也有可能是贏家。当指定相应数量时，一堆这样的棋子称作一个尼姆堆。古代就有許多尼姆游戏的變體[1]。最早歐洲有關尼姆游戏的參考資料是在16世紀，目前使用的名稱是由哈佛大学的Charles L. Bouton命名，他也在1901年提出了此遊戲的完整理論[2]，不過沒有說明名稱的由來。
尼姆游戏最常見的玩法是拿到最後一個棋子的人輸（misère game）。尼姆游戏也可以改為拿到最後一個棋子的人贏（normal play）。大部份類似的遊戲都是最後一個棋子的人贏，不過這不是尼姆游戏最常見的玩法。不論哪一種玩法，只要剛好剩下一排的棋子是二個或二個以上（其他排可能沒有棋子，或是只有一個），下一個遊戲者可以輕易的獲勝。下一個遊戲者可以將數量最多的這排棋子全部拿走或只留一個。剩下的各排都只有一個棋子。 若是misère版本，下一個遊戲者下完之後，只要留下奇數排就會勝利，若是normal版本，下一個遊戲者下完之後，只要留下偶數排就會勝利。
normal版本的尼姆游戏（也就是尼姆数系統）是斯普莱格–格隆第定理的基礎，其中提到在normal版本中，每一個normal版本的无偏博弈（从任何一个局势出发，双方可以采取完全相同的行动，也就是说棋盘上没有颜色的区分）都等價於一個特定大小的尼姆堆。所有的normal版本的无偏博弈都可以給與尼姆值，但misère版本的就不一定。只有溫馴遊戲才能用misère版本尼姆的策略來進行。尼姆遊戲是一種特殊的偏序遊戲，其中的偏序关系包括了不交集的全序關係（堆）。三排棋子尼姆遊戲的演進圖和Ulam-Warburton自動機演進圖的三個分支相同[3]。
遊戲玩法以及說明 编辑
normal版本是由二位遊戲者一起玩，有三排棋子，各排的棋子為任意正整數。二位遊戲者輪流選一排棋子，拿走上面至少一個棋子，也可以拿同一排的多個棋子。normal版本的目的是要拿到最後一個棋子。misère版本的目的就是要讓對方被迫拿走最後一個棋子（拿到最後一個棋子的人輸）。
以下是normal版本的遊戲，由愛麗絲與鮑伯二個人玩，三排棋子分別有三個、四個及五個棋子。
| 各排數量 A B C | 走法 |
| 3 4 5 | 鮑伯從A排拿走2個棋子 |
| 1 4 5 | 愛麗絲從C排拿走3個棋子 |
| 1 4 2 | 鮑伯從B排拿走1個棋子 |
| 1 3 2 | 愛麗絲從B排拿走1個棋子 |
| 1 2 2 | 鮑伯拿走所有A排的棋子，只剩下二排，各有2個 |
| 0 2 2 | 愛麗絲從B排拿走1個棋子 |
| 0 1 2 | 鮑伯從C排拿走1個棋子，只剩下二排，各有1個 （若是misère版本，會從C排拿走2個棋子，留下(0, 1, 0)） |
| 0 1 1 | 愛麗絲拿走B排的1個棋子 |
| 0 0 1 | 鮑伯拿走所有C排的棋子，鮑伯勝利。 |
必勝組態 编辑
尼姆游戏的策略就是在拿完棋子後，使棋子個數符合以下任何一個組態，接下來再輪到時，一定可以再拿走適當數量的棋子，使棋子個數仍符合以下任何一個組態。normal版本和misere版本的差別只在最後一兩步，前面都相同：
| 2排 | 3排 | 4排 |
|---|---|---|
| 1 1 * | 1 1 1 ** | 1 1 1 1 * |
| 2 2 | 1 2 3 | 1 1 n n |
| 3 3 | 1 4 5 | 1 2 4 7 |
| 4 4 | 1 6 7 | 1 2 5 6 |
| 5 5 | 1 8 9 | 1 3 4 6 |
| 6 6 | 2 4 6 | 1 3 5 7 |
| 7 7 | 2 5 7 | 2 3 4 5 |
| 8 8 | 3 4 7 | 2 3 6 7 |
| 9 9 | 3 5 6 | 2 3 8 9 |
| n n | 4 8 12 | 4 5 6 7 |
| 4 9 13 | 4 5 8 9 | |
| 5 8 13 | n n m m | |
| 5 9 12 | n n n n |
*只在normal版本有效
**只在misere版本有效
其中有出現n和m，是任何正整數，n和m可以相同。
數學理論 编辑
尼姆游戏在數學上是已解遊戲，針對任意排數及個數的初始狀態都已有解法，而且有簡單的方式可以判斷哪一個遊戲者會勝利，並且此遊戲者要如何取子才會勝利。
這遊戲理論的關鍵是在各排個數在二进制下XOR位操作的結果，此操作也稱為是在GF(2)中的向量加法（在模數2以下的位元加法）。在組合博弈論中常稱為是「尼姆和」（nim-sum），以下也使用此一名稱。x和y的尼姆和會寫成x ⊕ y，以和一般的和區別x + y。像3, 4, 5的尼姆和計算如下：
另一個等效，比較容易心算的作法，是將三排的個數分別表示為相異二次冪的和，再設法消除成對的次冪，再將最後留下的數字相加即可：
3 = 0 + 2 + 1 = 2 1 A排 4 = 4 + 0 + 0 = 4 B排 5 = 4 + 0 + 1 = 4 1 C排 -------------------------------------------------------------------- 2 = 2 1和4都消去了, 剩下的是2
在normal版本（拿到最後一個棋子的贏）中，勝利的策略就是在取走棋子後，使尼姆和為0。只要取走棋子前，尼姆和不為0，一定有辦法取走部份棋子使尼姆和為0。另一個遊戲者無論怎麼拿，取走棋子後尼姆和都不會為0。以此策略，只要在取棋子時照策略進行，一定會勝利。要找到要拿走的棋子，可以令X是原來各排棋子數的尼姆和，遊戲策略是要分別計算各排棋子數和X的尼姆和，找到尼姆和比該排棋子數少的那一排，接下來就要取走這一排的棋子，使該排棋子數等於尼姆和。以上例中，原來各排棋子數的尼姆和是X = 3 ⊕ 4 ⊕ 5 = 2。A=3、B=4、C=5且X=2，因此得到
- A ⊕ X = 3 ⊕ 2 = 1 [因為 (011) ⊕ (010) = 001 ]
- B ⊕ X = 4 ⊕ 2 = 6
- C ⊕ X = 5 ⊕ 2 = 7
因此下一步是取走A排的棋子，使其數量變1（拿走二個棋子）。
有一個特別簡單的例子，是只剩二排的情形，其策略是在個數較多的那牌拿走部份棋子，使兩者數量相同。接下來對手不論怎麼下，都繼續使二排的數量相同，最後即可勝利。
若是玩misère版本。前面的策略都一樣，只到只剩一排的棋子超過一個（二個或二個以上）時才有不同。此時的策略都是針對超過一個棋子的那排棋子取子，使留下來的每一排都只有一個棋子。接下來玩的人只能從這幾排中選一排拿走。取子可能是那排全部取完，或是只剩一個，視遊戲版本而定，在玩misère版本（拿到最後一個棋子的輸）時，要使留下來的排數是單數（因此對方會拿到最後一個棋子），在玩normal版本遊戲時，要使留下來的排數是偶數。（因此自己會拿到最後一個棋子）。
以下是棋子數分別是3, 4, 5個，在misère版本的玩法：
| A | B | C | 尼姆和 | 下法 |
| 3 | 4 | 5 | 0102=210 | 我從A排拿走2個，使剩下的尼姆和為0 |
| 1 | 4 | 5 | 0002=010 | 你從C排拿走2個 |
| 1 | 4 | 3 | 1102=610 | 我從B排拿走2個 |
| 1 | 2 | 3 | 0002=010 | 你從C排拿走1個 |
| 1 | 2 | 2 | 0012=110 | 我從A排拿走1個 |
| 0 | 2 | 2 | 0002=010 | 你從C排拿走1個 |
| 0 | 2 | 1 | 0112=310 | 我將B排的都拿走，只留下C排（使剩下的排數是奇數） （若是normal版本，我會從C排拿走1個，使剩下的排數是偶數） |
| 0 | 0 | 1 | 0012=110 | 你從C排拿走1個，也是最後一個，你輸 |
實現尼姆遊戲策略的程式範例 编辑
上述的策略可以寫成程式，以下就是Python的範例：
import functools MISERE = 'misere' NORMAL = 'normal' def nim(heaps, game_type): """Computes next move for Nim, for both game types normal and misere. if there is a winning move: return tuple(heap_index, amount_to_remove) else: return "You will lose :(" - mid-game scenarios are the same for both game types >>> print(nim([1, 2, 3], MISERE)) misere [1, 2, 3] You will lose :( >>> print(nim([1, 2, 3], NORMAL)) normal [1, 2, 3] You will lose :( >>> print(nim([1, 2, 4], MISERE)) misere [1, 2, 4] (2, 1) >>> print(nim([1, 2, 4], NORMAL)) normal [1, 2, 4] (2, 1) - endgame scenarios change depending upon game type >>> print(nim([1], MISERE)) misere [1] You will lose :( >>> print(nim([1], NORMAL)) normal [1] (0, 1) >>> print(nim([1, 1], MISERE)) misere [1, 1] (0, 1) >>> print(nim([1, 1], NORMAL)) normal [1, 1] You will lose :( >>> print(nim([1, 5], MISERE)) misere [1, 5] (1, 5) >>> print(nim([1, 5], NORMAL)) normal [1, 5] (1, 4) """ print(game_type, heaps, end=' ') is_misere = game_type == MISERE is_near_endgame = False count_non_0_1 = sum(1 for x in heaps if x > 1) is_near_endgame = (count_non_0_1 <= 1) # nim sum will give the correct end-game move for normal play but # misere requires the last move be forced onto the opponent if is_misere and is_near_endgame: moves_left = sum(1 for x in heaps if x > 0) is_odd = (moves_left % 2 == 1) sizeof_max = max(heaps) index_of_max = heaps.index(sizeof_max) if sizeof_max == 1 and is_odd: return "You will lose :(" # reduce the game to an odd number of 1's return index_of_max, sizeof_max - int(is_odd) nim_sum = functools.reduce(lambda x, y: x ^ y, heaps) if nim_sum == 0: return "You will lose :(" # Calc which move to make for index, heap in enumerate(heaps): target_size = heap ^ nim_sum if target_size < heap: amount_to_remove = heap - target_size return index, amount_to_remove if __name__ == "__main__": import doctest doctest.testmod() 必勝策略的證明 编辑
以下是必勝策略的證明，由C. Bouton所提出。
定理：在normal版本的尼姆遊戲中，第一個玩家有必勝的策略，若且唯若各排棋子數的尼姆和不為零。否則，第二個玩家有必勝的策略。
證明：注意尼姆和（⊕）遵守一般加法的结合律及交換律，還有另外一個性質x ⊕ x = 0。
令x1, ..., xn是移動前的各排棋子數，y1, ..., yn是移動後的各排棋子數。令 s = x1 ⊕ ... ⊕ xn且 t = y1 ⊕ ... ⊕ yn。若這次是移動第k排的棋子，可得xi = yi針對所有 i ≠ k，且xk > yk。依照⊕的性質，可得
t = 0 ⊕ t = s ⊕ s ⊕ t = s ⊕ (x1 ⊕ ... ⊕ xn) ⊕ (y1 ⊕ ... ⊕ yn) = s ⊕ (x1 ⊕ y1) ⊕ ... ⊕ (xn ⊕ yn) = s ⊕ 0 ⊕ ... ⊕ 0 ⊕ (xk ⊕ yk) ⊕ 0 ⊕ ... ⊕ 0 = s ⊕ xk ⊕ yk (*) t = s ⊕ xk ⊕ yk.
此定理會由以下二個引理推導而來。
引理1：若s = 0，則無論如何移動，接下來t ≠ 0。
證明：若沒有任何可以移動的棋子，此引理空虛的真（依定義，接下來要玩的遊戲者輸，因為在他前一手的遊戲者拿了最後一個棋子）。否則，任何k排的移動都會因為(*)，造成 t = xk ⊕ yk。因為xk ≠ yk，上述數字不為0。
引理2：若s ≠ 0，有可能讓t = 0.
證明：令d是s二進位表示法中最左邊１的位置，選擇k使xk的第d位元也不是零。（這個k一定存在，不然s的第d位元都是零了） 令yk = s ⊕ xk，可以聲稱 yk < xk：xk和yk所有d左邊的位元都相同，d位元從1變為0（數值減少2d），剩下位元的變化最多是2d−1。因此接下來的遊戲者可以在第k'排拿走xk− yk個棋子，則
t = s ⊕ xk ⊕ yk (by (*)) = s ⊕ xk ⊕ (s ⊕ xk) = 0.
misère版本的策略剛剛已經看過，只有在只剩一排的棋子是二個或二個以上時才不同。在這種情形s ≠ 0，接下來玩的人有必勝策略，若是normal版本，就是設法留下偶數排的棋子，每排都只有一個棋子，misère版本則反過來，設法留下奇數排的棋子，每排都只有一個棋子。
社會文化 编辑
在1939年紐約世界博覽會中，西屋电气有展示一個機器，會玩尼姆遊戲的Nimatron[4]。自1940年的5月11日到10月27日為止，在六週的週期內只有少數的人可以打敗Nimatron：若他們勝了，會得到一個稱為Nim Champ的硬幣[5][6]。尼姆遊戲也是最早電腦化的游戲。Ferranti曾製作可以玩尼姆遊戲的Nimrod電腦，在1951年的英國節上展示。1952年時，W. L. Maxon公司的工程師Herbert Koppel、 Eugene Grant和Howard Bailer開發了重達23公斤（50英磅）的機器，可以和人玩尼姆遊戲，而且多半會贏[7]。Tinkertoy也可以製作尼姆遊戲機[8]。
尼姆游戏是马丁·加德纳在《科學美國人》（Scientific American）雜誌中，1958年2月〈數學遊戲專欄〉的主題。在1961年法國新浪潮電影《去年在馬倫巴》中，有玩過特定版本的尼姆游戏，而且有象徵的重要性[9]。
類似遊戲 编辑
subtraction game 编辑
另一個有點類似的遊戲稱為subtraction game，會先列出總數，以及每一次可以拿走的最大數量。可能每一次只能拿走1個、2個...至k個。例如在《Survivor: Thailand》節目中的Thai 21，就是k = 3的版本。
若棋子只有一排，共有n個棋子，其必勝策略当且仅当
- n ≡ 0 (mod k + 1)（拿到最後一個棋子的人贏的玩法）或
- n ≡ 1 (mod k + 1)（拿到最後一個棋子的人輸的玩法）
21遊戲 编辑
21遊戲一般會用拿到最後一個棋子的人輸的玩法。可以有數個遊戲者參與。第一個遊戲者說1，其他的遊戲者可以在前一個人的數字加1,2或是3。數到21的遊戲者輸。若是二個遊戲者玩，有必勝的策略，就是讓加完的數字維持是4的倍數。這可以使另一方最後一定會數到21。
21遊戲的數字也可以修改，例如改為「最多加5，數到34的人輸」。
以下是一個21遊戲的例子，第二個遊戲者使用必勝的策略：
遊戲者 數字 1 1 2 4 1 5, 6 或 7 2 8 1 9, 10 或 11 2 12 1 13, 14 或 15 2 16 1 17, 18 或 19 2 20 1 21
100遊戲 编辑
另一個類似的遊戲是100遊戲：從0開始加，每一次可以加1到10之間的任一個整數，數到100的人勝利。必勝的策略是搶到類似01、12、23、34……、89的數字，接下來另一遊戲者不論加多少，都設法搶到下一個01、12、23、34……、89的數字（因為這些數字之間的差是11，不論對方加1到10之間的哪一個數字，都可以可以再加數字，使二人加的數字總計為11）。只要到89之後，接下來不論對方加多少，都可以再加數字使結果為100，因此必勝。
多排尼姆的規則 编辑
另一個版本的尼姆，是允許在每一排中取走相同數量的棋子。
循環尼姆 编辑
另一種尼姆的變體是循環尼姆，將一定數量的棋子擺成圓形，二個遊戲者輪流取棋子，可以取相鄰的一個、二個或三個棋子。以下是一個例子：
. . . . . . . . . .
一開始取走三個棋子
_ . . . . . . . _ _
接下來又取走三個棋子
_ . _ _ _ . . . _ _
又拿走一個棋子
_ . _ _ _ . . _ _ _
最後剩下三個棋子，但是不相鄰，無法一次取走。
Grundy遊戲 编辑
Grundy遊戲也是尼姆遊戲的變體，一開始有一排特定數量的棋子，遊戲者要輪流將某一排棋子分為二排數量不同，且都不為0的棋子。例如6個棋子可以分為5+1、4+2，但不能分為3+3。此遊戲可以讓最後一個人贏或是輸。
相關條目 编辑
參考資料 编辑
- ^ Jorgensen, Anker Helms, Context and driving forces in the development of the early computer game Nimbi, IEEE Annals of the History of Computing, 2009, 31 (3): 44–53, MR 2767447, doi:10.1109/MAHC.2009.41,
The two-person mathematical game Nim, which many believe originated in China, is probably one of the oldest games in the world.
- ^ Bouton, C. L., Nim, a game with a complete mathematical theory, 数学年刊, 1901–1902, 3 (14): 35–39, JSTOR 1967631, doi:10.2307/1967631
- ^ Khovanova, Tanya; Xiong, Joshua. Nim Fractals. 2014. arXiv:1405.5942 [math.CO].
- ^ Flesch, Rudolf. The Art of Clear Thinking. New York: Harper and Brothers Publishers. 1951: 3.
- ^ ExpoMuseum / New York World's Fair, 1939-'40. www.expomuseum.com. [20 April 2018]. （原始内容于2021-02-24）.
- ^ 1940: Nimatron. platinumpiotr.blogspot.com. [20 April 2018]. （原始内容于2018-12-25）.
- ^ Grant, Eugene F.; Lardner, Rex. The Talk of the Town – It. The New Yorker. August 2, 1952 [2020-10-13]. （原始内容于2014-01-01）.
- ^ Cohen, Harvey A. How to Construct NIM Playing Machine (PDF). [2020-10-13]. （原始内容 (PDF)于2021-02-25）.
- ^ Morrissette, Bruce, Games and game structures in Robbe-Grillet, Yale French Studies, 1968, 41 (41): 159–167, JSTOR 2929672, doi:10.2307/2929672. Morrissette writes that Alain Robbe-Grillet, one of the screenwriters for the film, "thought he had invented" the game.
外部链接 编辑
| 维基共享资源中相关的多媒体资源：尼姆游戏 |
- 50-pound computer plays Nim- The New Yorker magazine "Talk of the Town" August, 1952 （页面存档备份，存于互联网档案馆）