Кіріспе

Қарындаш пен қағазды байланыстыру ойыны. Шеннонның ауысу ойыны – екі ойыншыға арналған байланыстыру ойыны. Оны американдық математик және электр инженері Клод Шеннон, "ақпарат теориясының әкесі" деп аталған, 1951 жылға дейін ойлап тапқан. Екі ойыншы кез келген графтың қабырғаларын кезекпен бояйды. Бір ойыншының мақсаты – екі белгілі төбелерді өзінің түсіндегі қабырғалар арқылы байланыстыру. Екінші ойыншы оның түсін пайдаланып (немесе, балама ретінде, қабырғаларды жою арқылы) осыған жол бермеуге тырысады. Ойын көбінесе тіктөртбұрышты торда ойналады; ойынның осы ерекше жағдайы 1950 жылдардың соңында американдық математик Дэвид Гейл тәуелсіз түрде ойлап тапқан және ол Гейл немесе Бридж Ит деп аталады.

Ережелер

Ойын екі ерекше түйіні бар шекті граф бойынша ойналады, А және В. Графтың әр қабырғасын бояуға немесе жоюға болады. Екі ойыншы – Short (Қысқа) және Cut (Кесуші) деп аталады, олар кезекпен жүреді. Cut кезегінде, Cut графтан өзі таңдаған түсі жоқ қабырғаны жояды. Short кезегінде Short графтың ішіндегі кез келген қабырғаны бояйды. Егер Cut графты А мен В арасындағы байланыс жоқ күйге жеткізе алса, Cut жеңіске жетеді. Егер Short А-дан В-ға дейін боялған жол құра алса, Short жеңіп шығады. Ойын әрқашан шекті сандағы қадамдардан кейін аяқталады, және екі ойыншының бірі жеңуі тиіс. Short, Cut немесе бірінші жүрген ойыншыға кез келген граф бойынша жеңіске жететін стратегияның болуы кепілдіріледі. Short және Cut ойындары – екілік; яғни, ойынды екі ойыншының да бірдей мақсаты болуы үшін қайта формулирлеуге болады: белгілі бір қабырғаны ерекшеленген қабырға ретінде қамтамасыз ету. Short қабырға жиынтығын қамтамасыз етуге тырысады, ол е-мен бірге контур құрайды, ал Cut қабырға жиынтығын қамтамасыз етуге тырысады, ол е-мен бірге кесілген жиынтықты құрайды – екі кішіграфты байланыстыратын қабырғалардың ең кішкентай жиынтығы.

Нұсқалар

Шеннонның ауысу ойынының бағытталған граф және бағытталған матрицада ойналатын нұсқалары теориялық мақсаттар үшін сипатталған; бірақ оған сәйкес коммерциялық ойындар жарық көрмеген.

Гейл

Бұл ойынды американдық математик Дэвид Гейл ойлап тапқан, ал Мартин Гарднер 1958 жылғы қазан айындағы Scientific American журналында осы ойын туралы жазған. Бір ойыншы бір тордағы тікбұрышты жақын орналасқан нүктелерді қосады, ал екінші ойыншы екінші торды пайдаланады. Бір ойыншы тордың жоғарғы бөлігін төменгі бөлігімен, ал екінші ойыншы сол бөлігін оң бөлігімен байланыстыруға тырысады. Ойын тікбұрышты торда ойналатын Шеннонның ауыстыру ойынымен эквивалентті. Тең нәтиже болуы мүмкін емес; дұрыс ойнаған жағдайда бірінші ойыншы әрқашан жеңе алады. Ойынды іске асыратын коммерциялық нұсқасы 1960 жылы Хассенфельд ағайындары "Bridg-It" деген атпен сатылды. Ойын пластикалық тақтадан тұрады, онда екі біріккен 5x6 тікбұрышты торлар бар (бір жиын сары, екіншісі қызыл), екі жиын 20 қызыл және сары пластикалық көпірлер, сондай-ақ оларды орнатуға арналған сәйкес тіректер. Ойыншылар кезекпен бір түстің екі жақын тірегіне көпір қояды, бір ойыншы өз түсімен белгіленген тақтаның екі қарама-қарсы жағын қосып жеңгенше. Ойынның нұсқасы нұсқаулықта сипатталған: әр ойыншыға шектеулі көпірлер саны беріледі, мысалы, 10. Егер барлық көпірлер орналастырылғаннан кейін ешбір ойыншы жеңбесе, ойыншы өз кезегінде жеңімпаз анықталғанша өз көпірлерінің біреуін қайта орналастыра алады. Ойын ұзақ уақыттан бері өндірістен шығарылды. Гейл ойынының электрондық нұсқасы Ludii Games порталында қолжетімді.

Басқа ойындармен байланысы

Шеннонның ауысу ойыны Maker Breaker ойынының ерекше жағдайы ретінде қарастырылуы мүмкін, онда Maker үшін жеңіске жеткізетін үлгілер – байланысқан жолдар. Бұл ойын Hex деп аталатын байланыс ойынымен әлсіз байланысты, ол алтыбұрышты торда ойналады және 6 байланысқа ие. Жалпыланған Hex графтарда ойналады, Шеннон ойыны сияқты, бірақ қабырғаларын бояудың орнына, Hex-те ойыншылар төбелерін бояйды. Бұл ойындардың құрылымы мен қасиеттері мүлдем өзгеше. Тағы бір байланыс ойыны, төртбұрышты нүктелер тізбегінде (немесе график қағазында) қарындашпен ойналатын "нүктелер мен қораптар" балалар ойыны. Ойыншылар кезекпен кез келген екі жақын нүктені қосатын тік немесе көлденең сызық салады. Сызық бір квадратты толықтырғанда, ойыншы сол квадратқа өзінің әріптерін жазады. Барлық сызықтар салынғаннан кейін, ең көп квадратты алған ойыншы жеңіске жетеді. Гейлдің Qua деп аталатын кеңейтілген нұсқасы үш ойыншымен N3 ұяшықтан тұратын 3D ойын тақтасындағы кубта ойналады. N – ойын тақтасы кубінің қабырғаларындағы ұяшықтар санына тең тақ сан. Qua Cube ойын тақтасының бастапқы орналасуы мен ережелері Board Game Geek жазбасында сипатталған.

Есептеу күрделілігі

1964 жылы кез келген осындай ойын үшін матроид теориясын қолдана отырып, бағытталмаған ауысу ойынының нақты шешімі табылды. Short ерекшеленген екі төбесін, сондай-ақ таңдалмаған қалған жиектердегі екі бөлек жиынды қамтитын, олардың екеуі де (бұрын таңдалған жиектермен бірге) -тағы барлық төбелерді байланыстыратын жағдайға жетуі керек. Егер Short мұндай қасиетке ие жағдайға әкелетін қимыл жасай алса, онда ол қарсы ойыншының не істейтініне қарамастан жеңе алады; әйтпесе, Cut жеңеді. PSPACE қиын болатын басқа байланыс ойындарынан айырмашылығы, бағытталмаған ауысу ойыны үшін оңтайлы қимылдарды әр қимыл үшін полиномиялық уақытта табуға болады. Графиктен Cut таңдаған жиектерді алып тастағаннан кейін және Short таңдаған жиектерді қысқарғаннан кейін алынған граф бастапқы графтың кіші бөлігі болып табылады. Әрқайсысы ерекшеленген төбелерді байланыстыратын екі ажыратылған ағаштың бар болуын тексеру мәселесін матроидты бөлу мәселесі ретінде көрсетуге болады, оны полиномиалдық уақытта шешуге болады. Сонымен қатар, сол мәселені желілік ағым алгоритмдерін қолдану арқылы да шешуге болады.