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.

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.

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.

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.

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.