Введение

Абстрактная стратегическая настольная игра, игра абстрактной стратегии. Hex (также известная как Нэш) – это игра для двух игроков, представляющая собой абстрактную стратегическую настольную игру, в которой игроки стремятся соединить противоположные стороны ромбовидной доски, состоящей из шестиугольных ячеек. Hex была изобретена математиком и поэтом Питом Хейном в 1942 году, а позже повторно открыта и популяризирована Джоном Нэшем. Традиционно играют на ромбовидной доске 11×11, хотя также популярны доски 13×13 и 19×19. Доска состоит из шестиугольников, называемых ячейками или гексами. Каждому игроку назначается пара противоположных сторон доски, которую он должен попытаться соединить, поочередно размещая камень своего цвета на любой свободной ячейке. После размещения камни больше не перемещаются и не убираются. Игрок выигрывает, если ему удается соединить свои стороны вместе цепью смежных камней. Ничьи в Hex невозможны из-за топологии игровой доски. Несмотря на простоту правил, игра обладает глубокой стратегией и точной тактикой. Она также имеет серьезную математическую основу, связанную с теоремой о неподвижной точке Брауэра, матроидами и связностью графов. Игра была впервые опубликована под названием Polygon в датской газете Politiken 26 декабря 1942 года. Позже она продавалась как настольная игра в Дании под названием Con tac tix, а компания Parker Brothers выпустила её версию в 1952 году под названием Hex; в настоящее время она больше не производится. В Hex также можно играть на бумаге и карандаше, используя графовую бумагу с шестиугольной сеткой.

Тип игры

Hex — это конечная игра для двух игроков с полной информацией, а также абстрактная стратегическая игра, относящаяся к общему классу игр на соединение. Это особый вид позиционной игры. Поскольку в Hex никогда не бывает ничьей, в Дании она получила название «Полигон» благодаря статье Хайна, опубликованной в датской газете Politiken 26 декабря 1942 года — это было первое опубликованное описание игры, где использовалось это название.

Заявление Нэша

Игра была заново открыта в 1948 или 1949 году математиком Джоном Нэшем в Принстонском университете. По словам Мартина Гарднера, который представил Hex в своей колонке "Математические игры" за июль 1957 года, его соратники называли игру либо "Нэш", либо "Джон", причем последнее название связано с тем, что в нее можно было играть на шестиугольных плитах для ванной комнаты. Гарднер в частном письме написал Хайну: "Я обсудил это с редактором, и мы решили, что разумнее всего проявить снисхождение к Нэшу. Тот факт, что вы изобрели игру раньше всех остальных, не вызывает сомнений. Любое количество людей может позже заявить, что они придумали то же самое, но это не имеет большого значения и никого не интересует".

Шексическая машина Шеннон

Около 1950 года Клод Шеннон и Э. Ф. Мур построили аналоговую машину для игры в Hex, которая по сути представляла собой сеть сопротивлений с резисторами, выполняющими роль рёбер, и лампочками – вершин. Ход, который необходимо было сделать, соответствовал определённой точке седла в этой сети. Машина играла в Hex на достаточно хорошем уровне. Позже исследователи, стремясь решить эту игру и разработать компьютерные алгоритмы для игры в Hex, имитировали сеть Шеннона, чтобы создать сильных компьютерных игроков.

Стратегия

Из доказательства выигрышной стратегии для первого игрока известно, что доска для игры Hex должна обладать сложным типом связности, который до сих пор не решен. Игра заключается в создании небольших фигур, обладающих более простым типом связности, называемым "надёжно соединённым", и объединении их в последовательности, формирующие "путь". В конечном итоге, один из игроков сумеет сформировать надёжно соединённый путь из камней и пустых клеток между своими сторонами доски и выиграть. Заключительный этап игры, при необходимости, состоит в заполнении пустых клеток в пути. "Надёжно соединённая" фигура состоит из камней цвета игрока и свободных клеток, которые можно объединить в цепочку – непрерывную последовательность камней, соединённых по сторонам, независимо от действий противника. Один из самых простых примеров такой фигуры – "мост", состоящий из ромба из двух камней одного цвета и двух пустых клеток, при этом камни не соприкасаются. Если противник ставит камень в одну из клеток, игрок ставит камень в другую, создавая непрерывную цепочку. Существуют также надёжно соединённые фигуры, соединяющие камни с краями доски. Существует множество других надёжно соединённых фигур, некоторые из них довольно сложные, построенные из более простых, подобных показанным. Фигуры и пути могут быть разрушены противником до их завершения, поэтому конфигурация доски во время реальной игры часто выглядит как лоскутное одеяло, а не как что-то спланированное или спроектированное. Средняя стадия игры состоит в создании сети из таких слабо связанных камней и фигур.

Определенность

Не трудно убедиться, рассмотрев суть игры, что Hex не может закончиться вничью, что известно как "теорема о Hex". То есть, каким бы ни было заполнение доски камнями, всегда будет ровно один игрок, соединивший свои края. Этот факт был известен Питу Хайну в 1942 году, который упомянул его как один из критериев проектирования Hex в оригинальной статье в Politiken, но, по-видимому, не опубликовал доказательство. Первое изложение появилось в служебном техническом отчете в 1952 году, где Нэш утверждает, что "соединение и блокировка противника – эквивалентные действия". Более строгое доказательство было опубликовано Джоном Р. Пирсом в его книге 1961 года "Символы, сигналы и шум". В 1979 году Дэвид Гейл опубликовал доказательство, которое также показало, что его можно использовать для доказательства двухмерной теоремы о неподвижной точке Брауэра, а детерминированность вариантов игры в более высоких измерениях доказывает теорему о неподвижной точке в общем случае. Неформальное доказательство невозможности ничьей в Hex можно представить следующим образом: рассмотрим связную компоненту одного из красных краев. Эта компонента либо включает в себя противоположный красный край, в этом случае у красных есть соединение, либо не включает, в этом случае синие камни вдоль границы связной компоненты образуют выигрышную цепь для синих. Понятие связной компоненты хорошо определено, поскольку в гексагональной сетке две ячейки могут соприкасаться только по ребру или не соприкасаться вовсе; невозможно, чтобы ячейки перекрывались в одной точке.

Победа первого игрока, неофициальное доказательство существования

В игре «Шестиугольники» без правила обмена на любой доске размером nxn, первый игрок обладает теоретической выигрышной стратегией. Этот факт был упомянут Хайном в его заметках к лекции, прочитанной в 1943 году: «в отличие от большинства других игр, можно доказать, что первый игрок теоретически всегда может выиграть, то есть, если бы она могла предвидеть все возможные варианты развития игры». Таким образом, выигрышная стратегия реализуется при наличии одной дополнительной фигуры на доске. Эта дополнительная фигура не может помешать первому игроку в реализации выигрышной стратегии, поскольку дополнительная фигура никогда не является помехой. Следовательно, первый игрок может выиграть. Поскольку мы опровергли предположение о существовании выигрышной стратегии для второго игрока, мы приходим к выводу, что выигрышной стратегии для второго игрока не существует. Соответственно, должна существовать выигрышная стратегия для первого игрока.

Комплексность вычислений

В 1976 году Шимон Ивен и Роберт Тарджан доказали, что задача определения, является ли позиция в игре обобщённых Hex, играемой на произвольных графах, выигрышной, является PSPACE-полной. Усиление этого результата было получено Рейшем путем сведения задачи о квантованной булевой формуле в конъюнктивной нормальной форме к игре Hex. Этот результат означает, что не существует эффективного (полиномиального по размеру доски) алгоритма для решения произвольной позиции в Hex, если не существует эффективного алгоритма для всех задач класса PSPACE, что общепринято считать маловероятным. Однако это не исключает возможности простой выигрышной стратегии для начальной позиции (на досках любого размера) или простой выигрышной стратегии для всех позиций на доске заданного размера. В Hex на доске 11×11 сложность пространства состояний составляет приблизительно 2,4×1056, в то время как для шахмат – 4,6×1046. Сложность дерева игры составляет приблизительно 1098 для Hex и 10123 для шахмат.

Компьютерные стратегии для небольших досок

В 2002 году Цзин Янь, Саймон Ляо и Мирек Паулак нашли явную выигрышную стратегию для первого игрока на полях для игры в Hex размером 7×7, используя метод разложения с набором повторно используемых локальных шаблонов. Они расширили этот метод, чтобы получить слабое решение для центральной пары топологически конгруэнтных начальных позиций на досках 8×8 в 2002 году и центральной начальной позиции на досках 9×9 в 2003 году. В 2009 году Филипп Хендерсон, Бродерик Арнесон и Райан Б. Хейвард завершили анализ доски 8×8 с помощью компьютерного поиска, решив все возможные начальные позиции. В 2013 году Якуб Паулевич и Райан Б. Хейвард решили все начальные позиции для досок 9×9, а также одну (самую центральную) начальную позицию на доске 10×10. С тех пор, как Гарднер впервые предположил в своей колонке в журнале Scientific American в 1957 году, хотя и ошибочно, что любой первый ход на короткой диагонали является выигрышным, для всех решенных игровых досок до n=9 это действительно подтвердилось. Кроме того, для всех досок, кроме n=2 и n=4, существует множество дополнительных выигрышных первых ходов; количество выигрышных первых ходов обычно составляет ≥ n²/2.

Варианты

Другие игры на соединение с похожими задачами, но различной структурой, включают в себя игру Шеннона на переключение (также известную как Gale и Bridg It) и TwixT. Обе они в некоторой степени напоминают древнюю китайскую игру Го.

Прямоугольные решетки, бумаги и карандаши

Игра может быть сыграна на прямоугольной сетке, подобной шахматной, шашечной или доске для го, при этом считается, что клетки (пересечения в случае го) соединены по одной диагонали, но не по другой. Игра может быть проведена на бумаге и карандаше на прямоугольном поле точек или в клетку, аналогичным образом, используя два карандаша разного цвета.

Размеры доски

Популярные размеры, отличные от стандартного 11×11, — 13×13 и 19×19, что связано с исторической связью игры с древней игрой Го. Согласно книге "Прекрасный ум", Джон Нэш (один из создателей игры) считал размер 14×14 оптимальным.

Рекс (обратная шестиконечность)

Мизерный вариант игры Хекс называется "Рекс", в котором каждый игрок пытается заставить противника создать непрерывную цепь. Рекс медленнее, чем Хекс, так как на любой пустой доске с одинаковыми размерами проигравший игрок может отсрочить поражение до заполнения всей доски. На досках с разными размерами игрок, у которого противоположные стороны дальше друг от друга, может выиграть независимо от того, кто ходит первым. На досках с одинаковыми размерами первый игрок может выиграть на доске с четным числом клеток на стороне, а второй игрок – на доске с нечетным числом. На досках с четным числом клеток одним из выигрышных ходов первого игрока всегда является размещение камня в остром углу. Он отличается от Хекса тем, что игра ведется на гексагональной сетке из шестиугольников, а победа достигается формированием одной из трех фигур.

Проекс

Projex — это вариация игры Hex, которая играется на реальной проективной плоскости, и целью игроков является создание неконтарактуемой петли. Как и в Hex, в этой игре не бывает ничьих, и не существует позиции, в которой оба игрока имеют выигрышную связь.

Темная магия

Темная Гекса (также известная как Фантомная Гекса) — это версия игры Гекс с неполной информацией. Игроки не видят камней друг друга ни в какой момент игры, пока не обнаружат их самостоятельно. Игра проводится в присутствии судьи, который проверяет каждый ход на предмет столкновения. В зависимости от результата этой проверки игра может иметь различные варианты правил.

Соревнование

В 2016 году о турнирах сообщалось из Бразилии, Чехии, Дании, Франции, Германии, Италии, Нидерландов, Норвегии, Польши, Португалии, Испании, Великобритании и США. Один из крупнейших турниров по игре Hex организуется Международным комитетом математических игр в Париже, Франция, и проводится ежегодно с 2013 года. Hex также входит в программу компьютерных олимпиад.