逻辑、策略与经典模型

必胜策略

从终局倒推,把必败态留给对手,再验证每种应对。

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01

13 枚石子:怎样保证最后一枚由自己取走?

两人轮流从同一堆中取石子,每次必须取 1、2 或 3 枚,不得超过剩余数,不可跳过;取到最后一枚者获胜。初始 13 枚,先手应怎样走?双方都知道全部状态,且都选择最有利的走法。

切换规则,查看不同策略。以下每次点击只展示一次合法行动或一次状态揭示。

13 枚:先手取 1 枚,先把 12 枚留给对手。点击下一步观察。

02

从最后一步倒推,而不是猜对手怎么走

学习目标:会给小规模局面标记胜败,找到一步制胜的方向,并证明回应合法。必要前置:整除与余数、分类讨论、简单归纳;S班为本项目教学编排,不代表官方课纲。

本页限有限、完全信息、无随机、轮流行动的单堆取子。石子数严格减少,游戏必结束。采用正常玩法(normal play):无合法行动者输,等价于取到最后一枚者赢。必胜态与必败态均以当前轮到的人为视角。

  1. 先标终局。0 枚时无子可取,记为败态 P(previous-player winning position,上一手获胜)。
  2. 向后看所有合法后继。只要有一步能把对手送进败态,当前就是胜态 N(next-player winning position,轮到者可胜)。
  3. 没有这样的走法才是败态。当前每一步都送对手进入胜态,就无法保证获胜。不能只检查“最自然的一步”。
  4. 为什么可靠?每一步石子更少,后继状态都已分类;从0开始归纳,逐层结论成立。有限递减排除了无限对局和循环。

胜态:至少一个合法后继是败态。
败态:所有合法后继都是胜态(0 枚无后继)。

对称与配对:配的是两人的取子数

每次可取1到3枚时,对手取 a 枚,自己取 4−a 枚。两次取子组成互补配对:(1,3)、(2,2)、(3,1)。这里的对称是围绕总数4的互补,并不要求石子在空间上对称摆放。只有检查回应都合法、能一直执行到终局,配对才是策略证明。

03

两道完整例题:周期从规则中来

例题一|13 枚,每次取 1 至 3 枚

两人轮流从13枚中取1、2或3枚,不能超取,取走最后一枚者获胜。双方理性,问先后手谁能保证赢,并给出覆盖所有应对的策略。

  1. 0枚败;1、2、3枚能取完,所以胜;4枚的后继只有3、2、1,故败。
  2. 证明全部四的倍数必败。若 n=4k>0,无论取a=1、2、3,都会留下余数3、2、1的局面;这些局面可再取4−a回到更小的四的倍数。
  3. 证明其余数必胜。n=4k+r,r为1、2、3时,取r枚留下4k。r不超过n,故合法。从0逐层归纳,两类互相支持。
  4. 13=4×3+1,先手先取1枚,留下12枚。以后对手取a枚,自己取4−a枚,每轮合取4枚,轮末留下8、4、0枚。
  5. 为什么最后一轮也能回应?轮初有4k枚,k≥1;对手取a后余4k−a≥4−a,回应既在1到3之间又不超取。每轮减少4枚,自己最终取到最后一枚。

答案:先手必胜,第一步必须取1枚。若先取2或3枚,分别留下11或10,后手便能取3或2枚留下8并掌握同样策略。

例题二|20 枚,只许取 1、3、4 枚

两人轮流从20枚中取子,每次只能取1、3或4枚,不能超取,取到最后一枚者赢。判断先后手胜负,给出首步和后续通用策略。

  1. 先按合法后继递推:0败,1胜,2败(只能到1),3胜(取3到0),4胜(取4到0),5胜(取3到2),6胜(取4到2),7败(后继6、4、3全胜)。8胜,9败。
  2. 猜测并证明:除以7余0或2的局面为败态。余0时减1、3、4分别余6、4、3;余2时减1、3、4分别余1、6、5(小局面只保留合法走法)。它们都离开败态。
  3. 其他余数有回到败态的合法走法:余1取1;余3取1;余4取4;余5取3;余6取4。所得余数依次为0、2、0、2、2。每个规定取法均不超过该余数,因此对所有非负n都合法。
  4. 0枚为基础,所有后继更小,归纳证明分类成立。20除以7余6,先取4,留下16(余2)。对手离开败态后,自己按上述余数规则送回败态,直到取完。

答案:先手必胜,先取4枚。只取1或3会留下19或17,二者都是胜态,不能保证赢。此例的“周期7”由双向证明得来,不能仅凭前十项猜定。

余数 → 取子数:1→1,3→1,4→4,5→3,6→4。
余0或2:对手正确行动时无必胜走法。
04

迁移练习:先判断规则,再找败态

练习一|24 枚的先后手

24枚石子,两人轮流取1至3枚,取完者赢,不可超取。先手是否必胜?若你是后手,怎样保证赢?

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24=4×6是败态,先手不能保证赢。后手每次回应4−a枚,其中a为先手刚取的数量。每轮合取4枚,留下20、16、12、8、4、0枚。轮初至少4枚,回应不超取;六轮后后手取完。结论依赖后手正确执行,不是说先手绝无获胜可能。

练习二|19 枚、取 1、3、4 枚

同例题二规则,改为19枚。先手第一步取多少能保证赢?说明另外两种首步为什么不保证赢。

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19除以7余5,应取3枚,留下16(余2败态)。取1留下18(余4胜态),取4留下15(余1胜态),后手分别可取4到14、取1到14,反过来把败态留给先手。取3后,继续按余数表回到余0或2,保证最终取完。

05

边界反例与回顾

回顾顺序:写清规则 → 标终局 → 列合法后继 → 逆推胜败 → 发现结构 → 双向证明 → 检查首步、回应和终局。

06

逐章回看

十三枚石子,两人轮流取,每次可取一到三枚,取到最后一枚者获胜。谁能保证赢?

先看零枚:轮到的人无子可取,所以必败。一、二、三枚都能一次取完,都是必胜态。

四枚时,无论取几枚,都把一、二或三枚留给对手。所以四枚是必败态。

继续倒推,八枚、十二枚也必败。这里的胜败,都指轮到行动的那个人。

十三枚先取一枚,留下十二。以后对手取一、二、三枚,就分别回应三、二、一枚。

每轮合取四枚,依次留下八枚、四枚、零枚。回应始终合法,最后一枚由自己取走。

如果只许取一、三、四枚,就不能照搬凑四。逐项倒推,零、二、七、九枚都是必败态。

例如二十枚,先取四枚,留下十六。十六除以七余二,也是必败态。

这个变式中,除以七余零或二的局面必败。它们每一步都离开败态,其余局面都能一步回到败态。

总结:先写清规则,再倒推败态,最后检查对手每种走法。换成取到最后一枚者输时,必须重新分析。