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威佐夫博弈之翼伯父作威

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2025/12/03 00:59
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2025/12/03 00:59
3 个月前
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早上起来 脑壳痛
太阳好白 头好重
脑子没带 身子先动
边出门 边做梦
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威佐夫博弈。

有两堆石子和两个人,轮流操作:从两堆石子同时取走至少一颗,或者从某堆石子里取走至少一颗,先没法操作的人输,给出某个状态问是否先手必胜。
从知乎偷个图,建出坐标系之后发现必败点满足这个条件。
显然它关于 x=yx=y 对称,所以我们只考虑 xyx\le y 的点。
列出来前几个点:(0,0),(1,2),(3,5),(4,7),(6,10),(8,13),(9,15),(11,18),(12,20),(14,23),(16,26),(17,28),(19,31),(21,34),(22,36),(24,39)(0,0),(1,2),(3,5),(4,7),(6,10),(8,13),(9,15),(11,18),(12,20),(14,23),(16,26),(17,28),(19,31),(21,34),(22,36),(24,39)
注意到第 nn 项满足 yx=ny-x=n
然后我们还有若干性质:
  • 一个必败点的决策不可能到达必败点。因为对于这个必败点如果可以走向必败点,直接走过去会使得对方必败,也就是必胜点。所以每对必败必胜点的两个坐标一定不同,两个坐标的差值一定不同。
  • 如果一个点的决策里没有必败点,那它是必败点。因为只有走向必败点才能让对方必败而自己必胜。
  • 每个 xi=mexj=0i1(xj,yj),yi=xi+ix_i=\operatorname{mex}_{j=0}^{i-1}(x_j,y_j),y_i=x_i+i。考虑归纳证明法,假如升序排序前 i1i-1 项都满足 xi+i=yix_i+i=y_i,那么接下来满足 xx 最小的值肯定为前面所有数的 mex\operatorname{mex},而满足两位差没有出现过的最小值为 ii,并且因为 x,yx,y 都单调递增,所以这个 y=x+iy=x+i 肯定没出现过。
然后我们考虑通项公式,有一个定理如下。

Betty 定理

如果两个无理数 a,ba,b 满足 1a+1b=1\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=1,那么对于集合 A={n×a},B={m×b}(n,mN+)A=\big\{\lfloor n\times a\rfloor\big\},B=\big\{\lfloor m\times b\rfloor\big\}(n,m\in \mathbb{N}^+),有 AB=N+,AB=A\cup B=\mathbb{N}^+,A\cap B=\emptyset

证明

以下所有仅关于 aa 的定理与 bb 是对称的。
  • 引理一:n×a+1(n+1)×a(nN)\lfloor n\times a\rfloor+1\le \lfloor (n+1)\times a\rfloor(n\in \mathbb{N})
    证明:因为 a,b>0,1a<1,1b<1a,b>0,\frac{1}{a}<1,\frac{1}{b}<1,所以 a,b>1a,b>1,给非负数增加一个 >1>1 的数肯定会导致整数部分至少 +1+1
    • 推论:n×a\lfloor n\times a\rfloor 互不相同。
    • 推论:(n+1)×a1\lfloor (n+1)\times a\rfloor\ge 1
      • 推论:ABN+A\cup B\subseteq\mathbb{N}^{+}
  • 引理二:不存在 xA,xBx\in A,x\in B
    证明:因为 ABN+A\cup B\subseteq\mathbb{N}^+,所以 xN+x\in\mathbb{N}^+,设 x=n×a=m×b(n,mN+)x=\lfloor n\times a\rfloor=\lfloor m\times b\rfloor(n,m\in \mathbb{N}^{+}),因为 a,ba,b 是无理数所以取不到等号,x<n×a<x+1x<n\times a<x+1 x<n\times a<x+1\\[0.2cm] \frac{x}{n}<a<\frac{x+1}{n}\\[0.2cm] \frac{n}{x+1}<\frac{1}{a}<\frac{n}{x}$$ 同理我们有 $\frac{m}{x+1}<\frac{1}{b}<\frac{m}{x}$。两式相加得: \frac{n+m}{x+1}<\frac{1}{a}+\frac{1}{b}<\frac{n+m}{x}\[0.2cm] \frac{n+m}{x+1}<1<\frac{n+m}{x}\[0.2cm] \frac{x}{n+m}<1<\frac{x+1}{n+m}\[0.2cm] x<n+m<x+1$$ 显然这与 n,m,xN+n,m,x\in\mathbb{N}^+ 冲突。
    • 推论:AB=A\cap B=\emptyset
  • 引理三:不存在 xA,xB,xN+x\notin A,x\notin B,x\in\mathbb{N}^+
    证明:设 n×a<x<(n+1)×a\lfloor n\times a\rfloor<x<\lfloor (n+1)\times a\rfloor,然后我们把式子拆开分析: n×a<xn×a<xa<xnnx<1ax<(n+1)×ax(n+1)×a1x+1<(n+1)×ax+1n+1<ax+1n+1<a1a<n+1x+1\lfloor n\times a\rfloor<x\\[0.2cm] n\times a<x\\[0.2cm] a<\frac{x}{n}\\[0.2cm] \frac{n}{x}<\frac{1}{a}\\[0.6cm] x<\lfloor (n+1)\times a\rfloor\\[0.2cm] x\le\lfloor (n+1)\times a-1\rfloor\\[0.2cm] x+1<(n+1)\times a\\[0.2cm] \frac{x+1}{n+1}<a\\[0.2cm] \frac{x+1}{n+1}<a\\[0.2cm] \frac{1}{a}<\frac{n+1}{x+1} 合并两式得 nx<1a<n+1x+1\frac{n}{x}<\frac{1}{a}<\frac{n+1}{x+1},同理有 mx<1b<m+1x+1\frac{m}{x}<\frac{1}{b}<\frac{m+1}{x+1},两式相加得 n+mx<1<n+m+2x+1\frac{n+m}{x}<1<\frac{n+m+2}{x+1},把式子拆开分析: n+mx<1n+m<x1<n+m+2x+1x+1<n+m+2\frac{n+m}{x}<1\\[0.2cm] n+m<x\\[0.4cm] 1<\frac{n+m+2}{x+1}\\[0.2cm] x+1<n+m+2 合并两式得 n+m<x<x+1<n+m+2n+m<x<x+1<n+m+2,显然这与 n,m,xNn,m,x\in\mathbb{N} 冲突。
    • 推论:ABN+A\cup B\supseteq\mathbb{N}^{+}
然后我们合并以上所有推论即可证明此定理。

我们假设有 a,ba,b 满足前文我们发现的对于任一项 ii 都有用的公式:a×n+n=b×n\lfloor a\times n\rfloor+n=\lfloor b\times n\rfloor
来解方程:
{a×n+n=b×n1a+1b=1a>0b>0\begin{cases} \lfloor a\times n\rfloor+n=\lfloor b\times n\rfloor\\ \frac{1}{a}+\frac{1}{b}=1\\ a>0\\ b>0 \end{cases}
  • 一式: a×n+n=b×na×n+n=b×n(a+1)×n=b×n\lfloor a\times n\rfloor+n=\lfloor b\times n\rfloor\\[0.2cm] \lfloor a\times n+n\rfloor=\lfloor b\times n\rfloor\\[0.2cm] \lfloor (a+1)\times n\rfloor=\lfloor b\times n\rfloor 如果 a+1ba+1\not=b,那么一定存在一个 nn 使得 (a+1)×n=b×n\lfloor (a+1)\times n\rfloor=\lfloor b\times n\rfloor,差不多就是考虑 n=O(a+1b)n=O(|a+1-b|) 的时候。所以 b=a+1b=a+1。 合并两式得 {b=a+11a+1b=1a>0b>0\begin{cases}b=a+1\\\frac{1}{a}+\frac{1}{b}=1\\a>0\\b>0\end{cases}
1a+1a+1=1a+1a2+a+aa2+a=12×a+1a2+a=12×a+1=a2+aa2+a+1=0a=1±52\frac{1}{a}+\frac{1}{a+1}=1\\[0.2cm] \frac{a+1}{a^2+a}+\frac{a}{a^2+a}=1\\[0.2cm] \frac{2\times a+1}{a^2+a}=1\\[0.2cm] 2\times a+1=a^2+a\\[0.2cm] -a^2+a+1=0\\ a=-\frac{-1\plusmn\sqrt{5}}{2}
取正根 1+52=φ\frac{1+\sqrt{5}}{2}=\varphi,则我们的通项公式为 ai=φ×i,bi=ai+ia_i=\lfloor\varphi\times i\rfloor,b_i=a_i+i

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