對數學家來說,一種有意義的對策或遊戲,往往不必進行到最後,便能洞悉最終的結局,有時甚至一開初就能捕捉住決勝的機遇。
下麵是一個著名的古典對策遊戲:兩個人坐在一張普通的圓桌子旁,輪流往桌麵上擺硬幣,雙方約定,所放的硬幣必須是同樣幣值的,且均須平放而不許重疊。誰在桌上放下最後一枚硬幣,他就是勝利者。
對這個問題,數學家們將作何評論呢?他們會毫不遲疑地說:“要是我,一定選擇先放!”在數學家看來,整個對策遊戲處於對稱狀態。如若把第一枚硬幣擺在圓桌的中央,然後按“對稱”原則,每當對方放下一枚硬幣的時候,我們就在圓桌中心為軸心,與硬幣對稱的位置下也放一枚。隻要對方尚有地方放,我方也一定會有對稱的地方放,直到對方無處可放為止。這種遊戲的獲勝策略,在數學家的腦海裏是無與倫比的清晰。
馮·諾依曼(JohnVonNeumann,1903~1957)是當代傑出的數學家,對策論的創始人。有一次,有人向他請教一個遊戲問題:九張撲克牌,分別是A(作為一點)、2、3、…、9。兩人輪流取一張牌,已取走的牌不能重新放回去,誰手中有三張牌的點數加起來會等於15,就算誰嬴。問要怎樣取牌才能獲勝呢?馮·諾依曼教授想了一分鍾,說道:“唷!這個遊戲倒有點意思。先走的人略占便宜,但是後走的人如果應付得當,一定可以打成平局。”經教授點破後,請教的人終於恍然大悟。
那麼在馮·諾依曼教授的眼裏,這是怎樣的一個問題呢?大家一定還記得《數學世界的“海市蜃樓”》一節裏講到的幻方“洛書”吧!遊戲中要求拿到的三張牌的點數為15,實則就是要盡量使自己所拿的三張牌,恰好是洛書中的某行、某列或對角線上的三個數字。294753618這樣,我們所講的對策問題,跟大家所熟悉的“吃#字”遊戲,是完全一樣的。“吃井字”的玩法是:兩人輪流在一個井字格裏分別畫“○”或“×”,誰能把自己所畫的“○”或“×”連成一直線,誰就算贏。
1907年,數學家威索夫(Wythoff)發明了一項兩個人玩的遊戲。在這個遊戲中,兩人輪流從甲乙兩堆火柴中移走一些火柴。開始時每堆火柴的數目是任意的,比如各為p和q。我們用有序數偶(p、q)來表示此時火柴的狀態。
遊戲的規則是這樣的,每次可用以下三種方法之一移動火柴。
(1)從甲堆中移走一些火柴;(2)從乙堆中移走一些火柴;(3)從兩堆中各移走數目相同的火柴。
用代數方法表達這些規則就是,把(p,q)變成下列三種有序數偶之一:(p-t,q),(p,q-t),(p-t,q-t)。由於規定每次移動至少要有一根火柴,所以t≥1。不過t的選取取決於參加遊戲的人,甚至可以取走整個一堆,隻是誰取走最後一根火柴算誰贏。
例如,開始遊戲時的火柴狀態為(17,14),由A先拿:
A拿成(16,13),B拿成(9,13);A拿成(9,7),B拿成(6,7);A拿成(4,7),B拿成(4,2);A拿成(1,2),B拿成(1,1),(0,1),(0,2)或(1,0);A拿成(0,0)*獲勝。
不難看到,A達到打有“”號的數偶(1,2)是關鍵的一著,因為此時A實際已經取勝,此後B無論怎樣應對,都難免於失敗。所以(1,2)我們稱為獲勝位置。當然,(0,0)更是獲勝位置。
從最末一個獲勝位置(0,0)開始,我們可以推出如下一張獲勝位置表,這張表可以通過逐一嚐試到:
倒算順序獲勝位置(p,q)pq|p-q|1(0,0)0002(1,2)1213(3,5)3524(4,7)4735(6,10)61046(8,13)81357(9,15)91568(11,18)111879(12,20)12208例如,當A拿成(3,5)時,此後無論B怎樣應付都有:
B(3,4);A(1,2)*勝;B(3,3);A(0,0)勝;B(3,2);A(2,1)*勝;B(3,1);A(2,1)*勝;B(3,0);A(0,0)勝;B(2,5);A(2,1)*勝;B(1,5);A(1,2)*勝;B(0,5);A(0,0)勝。
因此得出(3,5)也是一個獲勝位置,等等。可以看出,上表中的p、q有以下規律:
(1)表中的p-q欄,按自然順序遞推;(2)除0以外,p、q兩欄的數字,既不重複又不遺漏地包含了所有的自然數;(3)表中某個獲勝位置的p值,恰是前麵所有獲勝位置中尚未出現過的最小自然數。
根據上麵三條,我們能夠把獲勝位置的表,無限製地延續下去。如表中緊接著未寫出的獲勝位置(m,n)可以這樣推出:首先m應是前麵沒出現過的最小整數,即得m=14,又n-m=9,得n=23。從而,表中下一個獲勝位置為(14,23)。如此等等。
威索夫教授證明了:一旦某甲達到了某個獲勝位置,那麼某乙接下去絕不可能達到表中的其他獲勝位置。反過來,如果某乙所達的位置不在表中,則某甲接下去一定有辦法把它拿成表中的獲勝位置。也就是說,某甲一旦拿成獲勝位置,那麼實際上他已經穩操勝券。
魔術猜姓