logo

תיאוריית משחק קומבינטוריאלית | סט 4 (Sprague - משפט גרונדי)

תנאים מוקדמים: גרונדי מספרים/מספרים ומקס
ראינו כבר בסט 2 (https://www.geeksforgeeks.org/dsa/combinatorial-game-theory-set-2-game-nim/) שנוכל למצוא מי מנצח במשחק של NIM מבלי לשחק בפועל את המשחק.
נניח שאנחנו משנים קצת את משחק ה- NIM הקלאסי. הפעם כל שחקן יכול להסיר רק 1 2 או 3 אבנים בלבד (ולא מספר אבנים כמו במשחק הקלאסי של NIM). האם אנו יכולים לחזות מי ינצח?
כן אנו יכולים לחזות את המנצח באמצעות משפט Sprague-Grundy.

מה זה משפט ספראג-גרונדי?  
נניח שיש משחק מורכב (יותר ממשחק משנה אחד) המורכב ממשחקי משנה N ושני שחקנים A ו- B. ואז משפט ספראג-גרונדי אומר שאם גם A וגם B ישחקו בצורה אופטימלית (כלומר הם לא מבצעים טעויות) אז השחקן שמתחיל הראשון מובטח כדי לנצח אם הקסור של המספרים הגרונדיים של המיקום של כל תת-משקעים במאמר. אחרת אם ה- XOR מעריך לאפס אז שחקן A יפסיד בהחלט לא משנה מה.

bash for loop

כיצד ליישם משפט Sprague Grundy?  
אנו יכולים ליישם משפט ספראג-גרונדי משחק חסר פניות ולפתור את זה. הצעדים הבסיסיים מופיעים כדלקמן: 



  1. לשבור את המשחק המורכב למשחקי משנה.
  2. ואז עבור כל משחק משנה חשב את מספר הגרונדי באותה מיקום.
  3. ואז חשב את ה- XOR של כל מספרי ה- Grundy המחושבים.
  4. אם ערך ה- XOR אינו אפס אז השחקן שהולך לפנות לתור (שחקן ראשון) ינצח אחר שהוא נועד להפסיד לא משנה מה.

משחק דוגמה: המשחק מתחיל בכך ש -3 ערימות עם 3 4 ו -5 אבנים והשחקן לזוז עשוי לקחת כל מספר חיובי של אבנים עד 3 רק מכל אחת מהערימות [בתנאי שלערמה יש כמות רבה של אבנים]. השחקן האחרון שעבר ניצחון. איזה שחקן מנצח את המשחק בהנחה ששני השחקנים משחקים בצורה אופטימלית?

איך לדעת מי ינצח על ידי יישום משפט ספראג-גרונדי?  
כפי שאנו יכולים לראות שהמשחק הזה עצמו מורכב מכמה משחקי משנה. 
שלב ראשון: משחקי המשנה יכולים להיחשב כערימות. 
שלב שני: אנו רואים מהטבלה שלהלן 

Grundy(3) = 3 Grundy(4) = 0 Grundy(5) = 1 

ספרג - משפט גרונדי' src='//techcodeview.com/img/combinatorial/87/combinatorial-game-theory-set-4-sprague-grundy-theorem.webp' title=

ציר הפנדה

כבר ראינו כיצד לחשב את המספרים הגרונדי של המשחק הזה ב קוֹדֵם סָעִיף.
שלב שלישי: ה- XOR של 3 0 1 = 2
צעד רביעי: מכיוון ש- Xor הוא מספר שאינו אפס, כך שנוכל לומר שהשחקן הראשון ינצח.

להלן התוכנית שמיישמת מעל 4 שלבים. 

C++
/* Game Description-  'A game is played between two players and there are N piles  of stones such that each pile has certain number of stones.  On his/her turn a player selects a pile and can take any  non-zero number of stones upto 3 (i.e- 123)  The player who cannot move is considered to lose the game  (i.e. one who take the last stone is the winner).  Can you find which player wins the game if both players play  optimally (they don't make any mistake)? '  A Dynamic Programming approach to calculate Grundy Number  and Mex and find the Winner using Sprague - Grundy Theorem. */ #include   using namespace std; /* piles[] -> Array having the initial count of stones/coins  in each piles before the game has started.  n -> Number of piles  Grundy[] -> Array having the Grundy Number corresponding to  the initial position of each piles in the game  The piles[] and Grundy[] are having 0-based indexing*/ #define PLAYER1 1 #define PLAYER2 2 // A Function to calculate Mex of all the values in that set int calculateMex(unordered_set<int> Set) {  int Mex = 0;  while (Set.find(Mex) != Set.end())  Mex++;  return (Mex); } // A function to Compute Grundy Number of 'n' int calculateGrundy(int n int Grundy[]) {  Grundy[0] = 0;  Grundy[1] = 1;  Grundy[2] = 2;  Grundy[3] = 3;  if (Grundy[n] != -1)  return (Grundy[n]);  unordered_set<int> Set; // A Hash Table  for (int i=1; i<=3; i++)  Set.insert (calculateGrundy (n-i Grundy));  // Store the result  Grundy[n] = calculateMex (Set);  return (Grundy[n]); } // A function to declare the winner of the game void declareWinner(int whoseTurn int piles[]  int Grundy[] int n) {  int xorValue = Grundy[piles[0]];  for (int i=1; i<=n-1; i++)  xorValue = xorValue ^ Grundy[piles[i]];  if (xorValue != 0)  {  if (whoseTurn == PLAYER1)  printf('Player 1 will winn');  else  printf('Player 2 will winn');  }  else  {  if (whoseTurn == PLAYER1)  printf('Player 2 will winn');  else  printf('Player 1 will winn');  }  return; } // Driver program to test above functions int main() {  // Test Case 1  int piles[] = {3 4 5};  int n = sizeof(piles)/sizeof(piles[0]);  // Find the maximum element  int maximum = *max_element(piles piles + n);  // An array to cache the sub-problems so that  // re-computation of same sub-problems is avoided  int Grundy[maximum + 1];  memset(Grundy -1 sizeof (Grundy));  // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it  for (int i=0; i<=n-1; i++)  calculateGrundy(piles[i] Grundy);  declareWinner(PLAYER1 piles Grundy n);  /* Test Case 2  int piles[] = {3 8 2};  int n = sizeof(piles)/sizeof(piles[0]);  int maximum = *max_element (piles piles + n);  // An array to cache the sub-problems so that  // re-computation of same sub-problems is avoided  int Grundy [maximum + 1];  memset(Grundy -1 sizeof (Grundy));  // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it  for (int i=0; i<=n-1; i++)  calculateGrundy(piles[i] Grundy);  declareWinner(PLAYER2 piles Grundy n); */  return (0); } 
Java
import java.util.*; /* Game Description- 'A game is played between two players and there are N piles of stones such that each pile has certain number of stones. On his/her turn a player selects a pile and can take any non-zero number of stones upto 3 (i.e- 123) The player who cannot move is considered to lose the game (i.e. one who take the last stone is the winner). Can you find which player wins the game if both players play optimally (they don't make any mistake)? ' A Dynamic Programming approach to calculate Grundy Number and Mex and find the Winner using Sprague - Grundy Theorem. */ class GFG {   /* piles[] -> Array having the initial count of stones/coins  in each piles before the game has started. n -> Number of piles Grundy[] -> Array having the Grundy Number corresponding to  the initial position of each piles in the game The piles[] and Grundy[] are having 0-based indexing*/ static int PLAYER1 = 1; static int PLAYER2 = 2; // A Function to calculate Mex of all the values in that set static int calculateMex(HashSet<Integer> Set) {  int Mex = 0;  while (Set.contains(Mex))  Mex++;  return (Mex); } // A function to Compute Grundy Number of 'n' static int calculateGrundy(int n int Grundy[]) {  Grundy[0] = 0;  Grundy[1] = 1;  Grundy[2] = 2;  Grundy[3] = 3;  if (Grundy[n] != -1)  return (Grundy[n]);  // A Hash Table  HashSet<Integer> Set = new HashSet<Integer>();   for (int i = 1; i <= 3; i++)  Set.add(calculateGrundy (n - i Grundy));  // Store the result  Grundy[n] = calculateMex (Set);  return (Grundy[n]); } // A function to declare the winner of the game static void declareWinner(int whoseTurn int piles[]  int Grundy[] int n) {  int xorValue = Grundy[piles[0]];  for (int i = 1; i <= n - 1; i++)  xorValue = xorValue ^ Grundy[piles[i]];  if (xorValue != 0)  {  if (whoseTurn == PLAYER1)  System.out.printf('Player 1 will winn');  else  System.out.printf('Player 2 will winn');  }  else  {  if (whoseTurn == PLAYER1)  System.out.printf('Player 2 will winn');  else  System.out.printf('Player 1 will winn');  }  return; } // Driver code public static void main(String[] args)  {    // Test Case 1  int piles[] = {3 4 5};  int n = piles.length;  // Find the maximum element  int maximum = Arrays.stream(piles).max().getAsInt();  // An array to cache the sub-problems so that  // re-computation of same sub-problems is avoided  int Grundy[] = new int[maximum + 1];  Arrays.fill(Grundy -1);  // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it  for (int i = 0; i <= n - 1; i++)  calculateGrundy(piles[i] Grundy);  declareWinner(PLAYER1 piles Grundy n);  /* Test Case 2  int piles[] = {3 8 2};  int n = sizeof(piles)/sizeof(piles[0]);  int maximum = *max_element (piles piles + n);  // An array to cache the sub-problems so that  // re-computation of same sub-problems is avoided  int Grundy [maximum + 1];  memset(Grundy -1 sizeof (Grundy));  // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it  for (int i=0; i<=n-1; i++)  calculateGrundy(piles[i] Grundy);  declareWinner(PLAYER2 piles Grundy n); */  } }  // This code is contributed by PrinciRaj1992 
Python3
''' Game Description-   'A game is played between two players and there are N piles   of stones such that each pile has certain number of stones.   On his/her turn a player selects a pile and can take any   non-zero number of stones upto 3 (i.e- 123)   The player who cannot move is considered to lose the game   (i.e. one who take the last stone is the winner).   Can you find which player wins the game if both players play   optimally (they don't make any mistake)? '     A Dynamic Programming approach to calculate Grundy Number   and Mex and find the Winner using Sprague - Grundy Theorem.    piles[] -> Array having the initial count of stones/coins   in each piles before the game has started.   n -> Number of piles     Grundy[] -> Array having the Grundy Number corresponding to   the initial position of each piles in the game     The piles[] and Grundy[] are having 0-based indexing''' PLAYER1 = 1 PLAYER2 = 2 # A Function to calculate Mex of all # the values in that set  def calculateMex(Set): Mex = 0; while (Mex in Set): Mex += 1 return (Mex) # A function to Compute Grundy Number of 'n'  def calculateGrundy(n Grundy): Grundy[0] = 0 Grundy[1] = 1 Grundy[2] = 2 Grundy[3] = 3 if (Grundy[n] != -1): return (Grundy[n]) # A Hash Table  Set = set() for i in range(1 4): Set.add(calculateGrundy(n - i Grundy)) # Store the result  Grundy[n] = calculateMex(Set) return (Grundy[n]) # A function to declare the winner of the game  def declareWinner(whoseTurn piles Grundy n): xorValue = Grundy[piles[0]]; for i in range(1 n): xorValue = (xorValue ^ Grundy[piles[i]]) if (xorValue != 0): if (whoseTurn == PLAYER1): print('Player 1 will winn'); else: print('Player 2 will winn'); else: if (whoseTurn == PLAYER1): print('Player 2 will winn'); else: print('Player 1 will winn'); # Driver code if __name__=='__main__': # Test Case 1  piles = [ 3 4 5 ] n = len(piles) # Find the maximum element  maximum = max(piles) # An array to cache the sub-problems so that  # re-computation of same sub-problems is avoided  Grundy = [-1 for i in range(maximum + 1)]; # Calculate Grundy Value of piles[i] and store it  for i in range(n): calculateGrundy(piles[i] Grundy); declareWinner(PLAYER1 piles Grundy n);    ''' Test Case 2   int piles[] = {3 8 2};   int n = sizeof(piles)/sizeof(piles[0]);       int maximum = *max_element (piles piles + n);     // An array to cache the sub-problems so that   // re-computation of same sub-problems is avoided   int Grundy [maximum + 1];   memset(Grundy -1 sizeof (Grundy));     // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it   for (int i=0; i<=n-1; i++)   calculateGrundy(piles[i] Grundy);     declareWinner(PLAYER2 piles Grundy n); ''' # This code is contributed by rutvik_56 
C#
using System; using System.Linq; using System.Collections.Generic; /* Game Description- 'A game is played between two players and there are N piles of stones such that each pile has certain number of stones. On his/her turn a player selects a pile and can take any non-zero number of stones upto 3 (i.e- 123) The player who cannot move is considered to lose the game (i.e. one who take the last stone is the winner). Can you find which player wins the game if both players play optimally (they don't make any mistake)? ' A Dynamic Programming approach to calculate Grundy Number and Mex and find the Winner using Sprague - Grundy Theorem. */ class GFG  {   /* piles[] -> Array having the initial count of stones/coins  in each piles before the game has started. n -> Number of piles Grundy[] -> Array having the Grundy Number corresponding to  the initial position of each piles in the game The piles[] and Grundy[] are having 0-based indexing*/ static int PLAYER1 = 1; //static int PLAYER2 = 2; // A Function to calculate Mex of all the values in that set static int calculateMex(HashSet<int> Set) {  int Mex = 0;  while (Set.Contains(Mex))  Mex++;  return (Mex); } // A function to Compute Grundy Number of 'n' static int calculateGrundy(int n int []Grundy) {  Grundy[0] = 0;  Grundy[1] = 1;  Grundy[2] = 2;  Grundy[3] = 3;  if (Grundy[n] != -1)  return (Grundy[n]);  // A Hash Table  HashSet<int> Set = new HashSet<int>();   for (int i = 1; i <= 3; i++)  Set.Add(calculateGrundy (n - i Grundy));  // Store the result  Grundy[n] = calculateMex (Set);  return (Grundy[n]); } // A function to declare the winner of the game static void declareWinner(int whoseTurn int []piles  int []Grundy int n) {  int xorValue = Grundy[piles[0]];  for (int i = 1; i <= n - 1; i++)  xorValue = xorValue ^ Grundy[piles[i]];  if (xorValue != 0)  {  if (whoseTurn == PLAYER1)  Console.Write('Player 1 will winn');  else  Console.Write('Player 2 will winn');  }  else  {  if (whoseTurn == PLAYER1)  Console.Write('Player 2 will winn');  else  Console.Write('Player 1 will winn');  }  return; } // Driver code static void Main()  {    // Test Case 1  int []piles = {3 4 5};  int n = piles.Length;  // Find the maximum element  int maximum = piles.Max();  // An array to cache the sub-problems so that  // re-computation of same sub-problems is avoided  int []Grundy = new int[maximum + 1];  Array.Fill(Grundy -1);  // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it  for (int i = 0; i <= n - 1; i++)  calculateGrundy(piles[i] Grundy);  declareWinner(PLAYER1 piles Grundy n);    /* Test Case 2  int piles[] = {3 8 2};  int n = sizeof(piles)/sizeof(piles[0]);  int maximum = *max_element (piles piles + n);  // An array to cache the sub-problems so that  // re-computation of same sub-problems is avoided  int Grundy [maximum + 1];  memset(Grundy -1 sizeof (Grundy));  // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it  for (int i=0; i<=n-1; i++)  calculateGrundy(piles[i] Grundy);  declareWinner(PLAYER2 piles Grundy n); */  } }  // This code is contributed by mits 
JavaScript
<script> /* Game Description- 'A game is played between two players and there are N piles of stones such that each pile has certain number of stones. On his/her turn a player selects a pile and can take any non-zero number of stones upto 3 (i.e- 123) The player who cannot move is considered to lose the game (i.e. one who take the last stone is the winner). Can you find which player wins the game if both players play optimally (they don't make any mistake)? '   A Dynamic Programming approach to calculate Grundy Number and Mex and find the Winner using Sprague - Grundy Theorem. */ /* piles[] -> Array having the initial count of stones/coins  in each piles before the game has started. n -> Number of piles   Grundy[] -> Array having the Grundy Number corresponding to  the initial position of each piles in the game   The piles[] and Grundy[] are having 0-based indexing*/ let PLAYER1 = 1; let PLAYER2 = 2; // A Function to calculate Mex of all the values in that set function calculateMex(Set) {  let Mex = 0;    while (Set.has(Mex))  Mex++;    return (Mex); } // A function to Compute Grundy Number of 'n' function calculateGrundy(nGrundy) {  Grundy[0] = 0;  Grundy[1] = 1;  Grundy[2] = 2;  Grundy[3] = 3;    if (Grundy[n] != -1)  return (Grundy[n]);    // A Hash Table  let Set = new Set();    for (let i = 1; i <= 3; i++)  Set.add(calculateGrundy (n - i Grundy));    // Store the result  Grundy[n] = calculateMex (Set);    return (Grundy[n]); } // A function to declare the winner of the game function declareWinner(whoseTurnpilesGrundyn) {  let xorValue = Grundy[piles[0]];    for (let i = 1; i <= n - 1; i++)  xorValue = xorValue ^ Grundy[piles[i]];    if (xorValue != 0)  {  if (whoseTurn == PLAYER1)  document.write('Player 1 will win  
'
); else document.write('Player 2 will win
'
); } else { if (whoseTurn == PLAYER1) document.write('Player 2 will win
'
); else document.write('Player 1 will win
'
); } return; } // Driver code // Test Case 1 let piles = [3 4 5]; let n = piles.length; // Find the maximum element let maximum = Math.max(...piles) // An array to cache the sub-problems so that // re-computation of same sub-problems is avoided let Grundy = new Array(maximum + 1); for(let i=0;i<maximum+1;i++) Grundy[i]=0; // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it for (let i = 0; i <= n - 1; i++) calculateGrundy(piles[i] Grundy); declareWinner(PLAYER1 piles Grundy n); /* Test Case 2 int piles[] = {3 8 2}; int n = sizeof(piles)/sizeof(piles[0]); int maximum = *max_element (piles piles + n); // An array to cache the sub-problems so that // re-computation of same sub-problems is avoided int Grundy [maximum + 1]; memset(Grundy -1 sizeof (Grundy)); // Calculate Grundy Value of piles[i] and store it for (int i=0; i<=n-1; i++) calculateGrundy(piles[i] Grundy); declareWinner(PLAYER2 piles Grundy n); */ // This code is contributed by avanitrachhadiya2155 </script>

פלט:  

מעצב תאריכים פשוט ב-Java
Player 1 will win

מורכבות זמן: O (n^2) כאשר n הוא המספר המרבי של אבנים בערימה. 

מורכבות חלל: O (n) מכיוון שמערך הגרונדי משמש לאחסון תוצאות בעיות המשנה כדי להימנע מחישובים מיותרים ונדרש שטח O (n).

הפניות:  
https://en.wikipedia.org/wiki/sprague%E2%80%93grundy_theorem

תרגיל לקוראים: קחו בחשבון את המשחק שלהלן. 
משחק משוחק על ידי שני שחקנים עם N מספר שלם A1 A2 .. An. בתורו/שלה נגן בוחר מספר שלם מחלק אותו ב -2 3 או 6 ואז לוקח את הרצפה. אם המספר שלם הופך 0 הוא מוסר. השחקן האחרון שעבר ניצחון. איזה שחקן מנצח את המשחק אם שני השחקנים משחקים בצורה אופטימלית?
רמז: ראה את הדוגמא 3 של קוֹדֵם סָעִיף.