Nimm Game

news/2025/10/21 16:22:55/文章来源:https://www.cnblogs.com/xiaoxiongtaotao/p/19155731

模型介绍

Nim Game 是博弈论中最著名且最重要的模型之一，规则如下：

有 \(n\) 堆物品，每堆分别有 \(a_1,a_2,\cdots,a_n\) 个；
两名玩家轮流操作；
每次只能从某一堆中取任意数量的物品（至少 \(1\) 个，至多取完该堆）；
最后取光所有物品的玩家获胜。

历史背景

Nim Game 的历史可以追溯到中国古代，但现代博弈论中的系统研究始于 \(1901\) 年 Charles L. Bouton 的论文。Bouton 提出了完整的理论解决方案，使 Nim Game 成为第一个被完全解决的组合博弈问题。

核心结论与证明

Bouton 定理

对于 Nim Game，定义尼姆和（Nim-sum）为所有堆大小的异或和：

\[S=a_1\oplus a_2\oplus\cdots\oplus a_n \]

结论：

如果 \(S=0\)，先手必败；
如果 \(S\neq0\)，先手必胜。

证明

基本思路：

终局状态（所有堆为 \(0\)）的尼姆和为 \(0\)，是必败态；
从尼姆和非 \(0\) 的状态，总可以一步操作到达尼姆和为 \(0\) 的状态；
从尼姆和为 \(0\) 的状态，任何操作都会到达尼姆和非 \(0\) 的状态。

详细证明：

引理 \(1\)：如果 \(S=0\)，则任何合法操作都会使 \(S\neq0\)，证明：

假设从第 \(i\) 堆取走 \(k\) 个物品 \((0<k\le a_i)\)；
新的堆大小 \(a_i'= a_i-k\)；
新的尼姆和 \(S'=S\oplus a_i\oplus a_i'=0\oplus a_ᵢ\oplus(a_i-k)=a_i\oplus(a_i-k)\)；
由于 \(k>0\)，所以 \(a_i\neq a_i-k\)，因此 \(S'\neq0\)。

引理 \(2\)：如果 \(S\neq0\)，则存在合法操作使 \(S'=0\)，证明：

设 \(S\) 的最高位是第 \(d\) 位；
存在某个 \(a_i\) 的第 \(d\) 位为 \(1\)（否则 \(S\) 的第 \(d\) 位不可能为 \(1\)）；
令 \(x=a_i\oplus S\)，则 \(x<a_i\)（因为 \(a_i\) 和 \(x\) 在第 \(d\) 位以上的位相同，但 \(a_i\) 的第 \(d\) 位为 \(1\) 而 \(x\) 的第 \(d\) 位为 \(0\)）；
从第 \(i\) 堆取走 \(a_i-x\) 个物品，使该堆变为 \(x\)；
新的尼姆和 \(S'=S\oplus a_i\oplus x=S\oplus a_i\oplus(a_i\oplus S)=0\)。

归纳证明：

基础：终局状态 \(S=0\) 是必败态；
归纳：

如果 \(S=0\)，任何操作都到 \(S\neq0\)（引理 \(1\)）；
如果 \(S\neq0\)，存在操作到 \(S=0\)（引理 \(2\)）；

因此结论成立。

代码实现

基础判断与策略

#include <bits/stdc++.h>
#define int long longusing namespace std;// 计算尼姆和
int calculateNimSum(const vector<int>& piles) {int nim_sum = 0;for (int pile : piles) {nim_sum ^= pile;}return nim_sum;
}// 判断先手是否必胜
bool canWinNim(const vector<int>& piles) { return calculateNimSum(piles) != 0; }// 找到必胜策略
pair<int, int> findWinningMove(const vector<int>& piles) {int nim_sum = calculateNimSum(piles);if (nim_sum == 0) {return {-1, -1};  // 没有必胜策略}// 找到第一个可以操作的堆for (int i = 0; i < piles.size(); i++) {int target = piles[i] ^ nim_sum;if (target < piles[i]) {return {i, piles[i] - target};}}return {-1, -1};  // 理论上不会执行到这里
}// 显示二进制表示（用于理解）
void showBinaryAnalysis(const vector<int>& piles) {cout << "堆状态分析:" << endl;int nim_sum = 0;for (int i = 0; i < piles.size(); i++) {cout << "堆 " << i << ": " << piles[i] << " = " << bitset<8>(piles[i]) << endl;nim_sum ^= piles[i];}cout << "尼姆和: " << nim_sum << " = " << bitset<8>(nim_sum) << endl;cout << "先手" << (nim_sum == 0 ? "必败" : "必胜") << endl;
}

完整游戏模拟

#include <bits/stdc++.h>
#define int long longusing namespace std;class NimGame {private:vector<int> piles;public:NimGame(const vector<int>& initialPiles) : piles(initialPiles) {}bool isGameOver() {for (int pile : piles) {if (pile > 0) return false;}return true;}bool isValidMove(int pileIndex, int takeCount) { return pileIndex >= 0 && pileIndex < piles.size() && takeCount > 0 && takeCount <= piles[pileIndex]; }bool makeMove(int pileIndex, int takeCount) {if (!isValidMove(pileIndex, takeCount)) return false;piles[pileIndex] -= takeCount;return true;}void printState() {cout << "当前堆状态: ";for (int i = 0; i < piles.size(); i++) {cout << "堆" << i << ":" << piles[i] << " ";}cout << endl;}// 电脑的智能移动pair<int, int> computerMove() {auto move = findWinningMove(piles);if (move.first == -1) {// 必败态，随机移动for (int i = 0; i < piles.size(); i++) {if (piles[i] > 0) {move = {i, 1};  // 随便取1个break;}}}makeMove(move.first, move.second);return move;}const vector<int>& getPiles() { return piles; }
};void playNimGame() {vector<int> initialPiles = {3, 4, 5};NimGame game(initialPiles);bool playerTurn = true;cout << "Nim Game 开始！" << endl;cout << "初始堆: ";for (int pile : initialPiles) cout << pile << " ";cout << endl;showBinaryAnalysis(initialPiles);cout << endl;while (!game.isGameOver()) {game.printState();if (playerTurn) {int pile, count;cout << "你的回合 - 输入堆索引和取的数量: ";cin >> pile >> count;if (!game.makeMove(pile, count)) {cout << "无效移动！请重新输入。" << endl;continue;}} else {auto move = game.computerMove();cout << "电脑: 从堆" << move.first << "取" << move.second << "个" << endl;// 显示分析showBinaryAnalysis(game.getPiles());cout << endl;}playerTurn = !playerTurn;}cout << "游戏结束！" << (playerTurn ? "电脑" : "玩家") << "获胜！" << endl;
}

变种题目与解法

变种 1：最后取者输（Misère Nim）

规则：其他规则相同，但最后取物品的人输；
解法：

当所有堆都只有 \(1\) 个物品时：如果堆数是奇数，先手必败；偶数则先手必胜；
其他情况：与正常 Nim 相同，但需要特殊处理全1的情况。

bool canWinMisereNim(const vector<int>& piles) {int nim_sum = 0;bool all_ones = true;for (int pile : piles) {nim_sum ^= pile;if (pile > 1) all_ones = false;}if (all_ones) {return (piles.size() % 2) == 0;  // 堆数为偶数时先手必胜} else {return nim_sum != 0;  // 与正常Nim相同}
}

变种 2：受限 Nim（取石子上限）

规则：每次最多取 \(k\) 个物品；
解法：计算每堆的模 \(k+1\) 值，然后用正常 Nim 策略。

bool limitedNim(const vector<int>& piles, int max_take) {vector<int> mod_piles;for (int pile : piles) {mod_piles.push_back(pile % (max_take + 1));}return calculateNimSum(mod_piles) != 0;
}

变种 3：阶梯 Nim

规则：物品在阶梯上，只能从某一阶移动到下一阶；
解法：只考虑奇数阶（或偶数阶）的物品数量。

bool staircaseNim(const vector<int>& steps) {int nim_sum = 0;for (int i = 1; i < steps.size(); i += 2) {  // 只考虑奇数阶nim_sum ^= steps[i];}return nim_sum != 0;
}

变种 4：Moore's Nim

规则：每次可以从最多 \(k\) 堆中取物品；
解法：计算每堆的二进制表示，检查每一位 \(1\) 的个数模 \(k+1\)。

bool mooresNim(const vector<int>& piles, int k) {const int MAX_BITS = 32;for (int bit = 0; bit < MAX_BITS; bit++) {int count = 0;for (int pile : piles) {if (pile & (1 << bit)) {count++;}}if (count % (k + 1) != 0) {return true;  // 先手必胜}}return false;  // 先手必败
}