Кіріспе
Әрбір бейтарап ойын позициясы nim ойынындағы позицияға эквивалентті. Комбинаторлық ойын теориясында Спраг-Гранди теоремасы бойынша, қалыпты ойын қағидасымен әрбір бейтарап ойын бір үйінділі nim ойынына немесе nim-нің шексіз жалпылануына эквивалентті. Сондықтан оны табиғи сан ретінде, оның эквивалентті nim ойынындағы үйіндінің мөлшері ретінде, шексіз жалпылаудағы ординал сан ретінде немесе алгебралық жүйедегі nimber ретінде көрсетуге болады, мұндағы қосу операциясы бірнеше үйінділерді біріктіріп, nim-де бір эквивалентті үйінді құрайды. Кез келген бейтарап ойынның Гранди мәні немесе nim мәні – бұл ойынға эквивалентті болатын бірегей nimber. Ойын позициялары табиғи сандармен индексиленген (nim-нің өзі сияқты, үйінді мөлшерімен индексиленген) ойынның тізбектелген позициялары үшін nim-дер тізбесін ойынның nim-тізбегі деп атайды. Спраг-Гранди теоремасы және оның дәлелі Р. П. Спраг (1936) және П. М. Гранди (1939) тәуелсіз түрде ашқан теорияның негізгі нәтижелерін қамтиды.
In combinatorial game theory, the Sprague–Grundy theorem states that every impartial game under the normal play convention is equivalent to a one heap game of nim, or to an infinite generalization of nim. It can therefore be represented as a natural number, the size of the heap in its equivalent game of nim, as an ordinal number in the infinite generalization, or alternatively as a nimber, the value of that one heap game in an algebraic system whose addition operation combines multiple heaps to form a single equivalent heap in nim. The Grundy value or nim value of any impartial game is the unique nimber that the game is equivalent to. In the case of a game whose positions are indexed by the natural numbers (like nim itself, which is indexed by its heap sizes), the sequence of nimbers for successive positions of the game is called the nim sequence of the game. The Sprague–Grundy theorem and its proof encapsulate the main results of a theory discovered independently by R. P. Sprague (1936) and P. M. Grundy (1939).
Анықтамалар
Sprague–Grundy теоремасы үшін ойын – аяқталу шартын (барлық ойындар аяқталады: ойынның шексіз қадамдары жоқ) және қалыпты ойын шартын (қадам жасауға мүмкіндігі жоқ ойыншы ұтылады) қанағаттандыратын, толық ақпаратпен екі ойыншының кезекпен ойнайтын ойыны. Ойынның кез келген сәтінде ойыншының позициясы – оған рұқсат етілген қадамдар жиынтығы. Мысалы, нөлдік ойынды екі ойыншының қадам жасауға мүмкіндігі жоқ ойыны деп анықтауға болады. Екі ойыншыны (Алиса үшін) және (Боб үшін) деп белгілесек, олардың позицияларын , себебі әр ойыншының жасай алатын қадамдар жиыны бос. Бейтарап ойын – ойынның кез келген сәтінде әр ойыншыға бірдей қадамдар жасауға рұқсат етіледі. Қалыпты ойынмен ойналатын ним – бейтарап ойынның мысалы. Нимде бір немесе бірнеше заттардан тұратын топтамалар болады, ал екі ойыншы (Алиса мен Боб деп атайық) кезекпен топтама таңдап, одан бір немесе бірнеше затты алып тастайды. Соңғы топтамадағы соңғы затты алып тастаған ойыншы жеңіске жетеді. Ойын бейтарап, себебі кез келген конфигурация үшін Алисаның өз кезегінде жасай алатын қадамдары, Бобтың кезегінде жасауға рұқсат етілген қадамдармен толық сәйкес келеді. Ал мысалы, шашка сияқты ойын бейтарап емес, себебі егер Алиса қызыл, ал Боб қара түспен ойнаса, тақтадағы фигуралардың кез келген орналасуында, Алисаның кезегі болса, ол тек қызыл фигураларды ғана жылжыта алады, ал Бобтың кезегі болса, ол тек қара фигураларды ғана жылжыта алады. Назар аударыңыз, бейтарап ойынның кез келген конфигурациясын бір позиция ретінде жазуға болады, өйткені қадамдар кімнің кезегі болса да бірдей болады. Мысалы, нөлдік ойынның позициясын жай ғана , деп жазуға болады, себебі егер Алисаның кезегі болса, ол ешқандай қадам жасамайды, ал егер Бобтың кезегі болса, ол да ешқандай қадам жасамайды. Қадамды, ол келесі ойыншыны қалдыратын позициямен байланыстыруға болады. Бұл позицияларды рекурсивті түрде анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, Алиса мен Боб ойнайтын келесі ним ойынын қарастырайық.
Қаңқалар
Біздің мысал ойында көрсетілген , , және арнайы атаулар нимберлер деп аталады. Жалпы, нимбер бір қапта дәл нысандар бар ним ойынындағы позицияға сәйкес келеді. Нимберлер индуктивті түрде келесідей анықталады: , , және барлық үшін . Нимбер сөзі ним ойынынан алынған болса да, нимберлер кез келген шекті, бейтарап ойынның позициясын сипаттауға қолданылады. Шындығында, Спраг-Гранди теоремасы бойынша, шекті, бейтарап ойынның әрбір мысалы бір нимбермен байланыстырылуы мүмкін.
While the word nimber comes from the game nim, nimbers can be used to describe the positions of any finite, impartial game, and in fact, the Sprague–Grundy theorem states that every instance of a finite, impartial game can be associated with a single nimber.
Ойынды біріктіру
Екі ойынды олардың қалдықтарын қосу арқылы біріктіруге болады. Мысалы, , , және қалдықтары бар nim ойынының тағы бір түрін қарастырайық.
Бірінші лемма
Негізгі теореманы дәлелдеудің аралық қадамы ретінде, біз кез келген позиция және кез келген позиция үшін эквиваленттілік қатыстылығы орындалатынын көрсетеміз. Жоғарыдағы эквиваленттілік анықтамасына сәйкес, бұл барлық жағдайлар бойынша және ортақ жағдайлар класын бөліседі екенін көрсетумен бірдей. Егер позиция болса, онда бұрынғы ойыншының жеңіске жететін стратегиясы бар: позиция үшін жеңіске жететін стратегиясына сәйкес жауап беріңіз (позиция болғандықтан ол бар), және позиция үшін жеңіске жететін стратегиясына сәйкес жауап беріңіз (сол себеппен ол да бар). Демек, позиция да болуы керек. Екінші жағынан, егер позиция болса, онда ол да позиция болады, себебі келесі ойыншының жеңіске жететін стратегиясы бар: мүмкіндіктердің ішінде позицияны таңдаңыз, және алдыңғы абзацтан, осы позицияға қосылғанда да позиция болады деген қорытындыға келеміз. Осылайша, бұл жағдайда да позиция болуы керек, дәл сияқты. Осы екі жағдай ғана бар болғандықтан, лемма дұрыс.
Suppose that is a position. Then the previous player has a winning strategy for : respond to moves in according to their winning strategy for (which exists by virtue of being a position), and respond to moves in according to their winning strategy for (which exists for the analogous reason). So must also be a position. On the other hand, if is an position, then is also an position, because the next player has a winning strategy: choose a position from among the options, and we conclude from the previous paragraph that adding to that position is still a position. Thus, in this case, must be a position, just like
As these are the only two cases, the lemma holds.
Екінші лемма
Келесі қадам ретінде, егер және тек егер жағдай болса, дәлелдейміз. Алға қарай, егер десек, теңдік анықтамасын қолданып, мынаны анықтаймыз: (қосылыстың коммутативті қасиеті бойынша тең) бірдей нәтиже класында жатыр. Бірақ бұл жағдай болуы керек: егер бір данада қандай да бір қимыл жасалса, бұрынғы ойыншы екінші данада сол қимылмен жауап бере алады, демек, әрқашан соңғы қимылды жасайды. Кері бағытта, болжам бойынша жағдай болғандықтан, бірінші леммадан мынасы шығады: . Сол сияқты, егер де жағдай болса, бірінші леммадан мынадай түрінде шығады: . Ассоциативтік және коммутативтік қасиеттеріне сәйкес, осы нәтижелердің оң жақтары тең. Сонымен қатар, теңдік қатынасы, себебі теңдік – нәтиже кластарындағы теңдік қатынасы. Осыдан транзитивтілік арқылы мынаны қорытындылауға болады.
Дәлел
Біз барлық позициялар конструктивтік индукция арқылы nimber-ге тең екенін дәлелдейміз. Ойынның бастапқы позициясының nimber-ге тең болуы керек дегені, ойынның өзі nimber-ге тең екенін көрсетеді. Индукциялық гипотеза бойынша барлық нұсқалар nimber-лерге тең, мысалы, сонда біз мынаны көрсетеміз , мұнда – mex (минималды шығарылған) сандардың, яғни, қандай да бір санға тең емес ең кіші теріс емес бүтін сан. Егер нөл болса, онда бұл талап тривиальды түрде орындалады. Әйтпесе, келесі ойыншы қозғалса, онда бұрынғы ойыншы қозғала алады, ал егер келесі ойыншы қозғалса, онда бұрынғы ойыншы қозғала алады. Осыдан кейін, позиция лемманың алға бағытталған тұжырымы бойынша позиция болады. Демек, бұл позиция, және лемманың кері тұжырымын пайдаланып, енді екінші лемманы тағы да қолданып, бұрынғы ойыншыға нақты стратегия беру арқылы көрсетеміз. Егер және бос болса, онда бос жиын, анық позиция. Немесе келесі ойыншы компоненттегі нұсқаға қозғалса, онда , себебі – ең аз шығарылған сан болғандықтан, бұрынғы ойыншы компоненттегі нұсқаға қозғала алады. Ал бұрын көрсеткендей, кез келген позицияның өзіне қосылуы позиция болады. Соңында, егер келесі ойыншы компоненттегі нұсқаға қозғалса, онда егер бұрынғы ойыншы қозғалса; әйтпесе, егер бұрынғы ойыншы қозғалса; екі жағдайда да нәтиже – позицияның өзіне қосылуы. (Бұл мүмкін емес, өйткені – барлық сандардан өзгеше деп анықталған.) Қорыта айтқанда, бізде және бар. Транзитивтілік арқылы біз , қалағандай деп қорытындылаймыз.
The first thing we need to note is that , by way of the second lemma. If is zero, the claim is trivially true. Otherwise, consider If the next player makes a move to in , then the previous player can move to in , and conversely if the next player makes a move in After this, the position is a position by the lemma's forward implication. Therefore, is a position, and, citing the lemma's reverse implication,
Now let us show that is a position, which, using the second lemma once again, means that We do so by giving an explicit strategy for the previous player. Suppose that and are empty. Then is the null set, clearly a position. Or consider the case that the next player moves in the component to the option where Because was the minimum excluded number, the previous player can move in to And, as shown before, any position plus itself is a position. Finally, suppose instead that the next player moves in the component to the option If then the previous player moves in to ; otherwise, if , the previous player moves in to ; in either case the result is a position plus itself. (It is not possible that because was defined to be different from all the .) In summary, we have and By transitivity, we conclude that , as desired.
Даму
Егер – бейтарап ойынның позициясы болса, онда осыған сәйкес келетін бірегей бүтін сан оның Грунди мәні немесе Грунди саны деп аталады, ал осы мәнді әрбір мұндай позицияға тағайындайтын функция Спраг–Гранди функциясы деп аталады. Р. Л. Спраг және П. М. Гранди тәуелсіз түрде осы функцияның нақты анықтамасын берді, ол nim позицияларымен теңдестіру тұжырымына негізделмеген, және оның келесідей қасиеттері бар екенін көрсетті: Бір nim үйірмесінің (яғни позицияның) мөлшері – болса, оның Грунди мәні ; позиция келесі ойыншыға (яғни позицияға) жүру үшін жеңіліс әкеледі, егер және тек қана оның Грунди мәні нөлге тең болса; және позициялар жиынтығының Грунди мәні – оның қосылғыштарының Грунди мәндерінің nim-қосындысына тең. Осы нәтижелерден тікелей шығады, егер позицияның Грунди мәні болса, онда оның Грунди мәнімен бірдей болады, демек, кез келген позиция үшін бірдей нәтиже класына жатады. Осылайша, Спраг пен Гранди осы мақалада сипатталған теореманы тікелей айтпағанмен, ол олардың нәтижелерінен тікелей туындайды және оларға жатқызылады. Бұл нәтижелер кейіннен комбинаторлық ойын теориясы саласында, әсіресе Ричард Гай, Элвин Берлекамп, Джон Хортон Конвей және басқалар тарапынан дамытылды, онда олар қазір Спраг–Гранди теоремасы мен оның дәлелінде сипатталған түрде жинақталған. Бұл сала «Математикалық ойындарда жеңіске жолдар» және «Сандар мен ойындар» кітаптарында ұсынылған.
The Grundy value of a single nim pile of size (i. e. of the position ) is ;
A position is a loss for the next player to move (i. e. a position) if and only if its Grundy value is zero; and
The Grundy value of the sum of a finite set of positions is just the nim sum of the Grundy values of its summands. It follows straightforwardly from these results that if a position has a Grundy value of , then has the same Grundy value as , and therefore belongs to the same outcome class, for any position Thus, although Sprague and Grundy never explicitly stated the theorem described in this article, it follows directly from their results and is credited to them. These results have subsequently been developed into the field of combinatorial game theory, notably by Richard Guy, Elwyn Berlekamp, John Horton Conway and others, where they are now encapsulated in the Sprague–Grundy theorem and its proof in the form described here. The field is presented in the books Winning Ways for your Mathematical Plays and On Numbers and Games.