Maker-Breaker игра - Maker-Breaker game

А Maker-Breaker игра это своего рода позиционная игра.^[1]:13–24 Как и большинство позиционных игр, она описывается набором позиции / точки / элементы (${\displaystyle X}$) и его семейство выигрышные наборы (${\displaystyle {\mathcal {F}}}$- а семейство подмножеств из ${\displaystyle X}$). В нее играют два игрока, Maker и Breaker, которые по очереди берут ранее неиспользованные элементы.

В игре Maker-Breaker Maker выигрывает, если ему удается удержать все элементы выигрышного набора, а Breaker выигрывает, если ему удается предотвратить это, то есть удерживать хотя бы один элемент в каждом выигрышном наборе. Розыгрыши невозможны. В каждой игре Maker-Breaker у Maker или Breaker есть выигрышная стратегия. Главный вопрос исследования этих игр - какой из этих двух вариантов верен.

Примеры

Классическая игра Maker-Breaker - это Шестигранник. Здесь все выигрышные сеты - это пути от левой стороны доски к правой. Создатель побеждает, владея связным путем; Брейкер побеждает, владея связным путем сверху вниз, поскольку он блокирует все связанные пути слева направо.

Крестики-нолики можно играть как игру Maker-Breaker: в этом варианте цель Maker - собрать 3 клетки подряд, а цель Breaker - просто помешать Maker сделать это. В этом варианте у Maker есть выигрышная стратегия. В этом отличие от классического варианта (который Сильная позиционная игра ), где у второго игрока есть стратегия рисования (см. Сильная позиционная игра # Сравнение с игрой Maker-Breaker ).

Неупорядоченная игра CNF^[2] на положительном CNF (все положительные литералы) можно рассматривать как игру Maker-Breaker, в которой Maker хочет фальсифицировать CNF, а Breaker хочет удовлетворить ее.

Было проведено довольно много исследований по игре в игры Maker-Breaker, когда игровая доска является предельной. ${\displaystyle E}$некоторых график ${\displaystyle G}$ (обычно принимается за полный график ), а семейство выигрышных множеств ${\displaystyle {\mathcal {F}}=\{E'\subset E\vert G[E']{\hbox{ has property }}{\mathcal {P}}\}}$, куда ${\displaystyle {\mathcal {P}}}$ некоторые свойство графа (обычно считается монотонно возрастающим), например, связность.^[3] Например, Шеннон переключение игры это игра Maker-Breaker, в которой выигрышные множества - это пути между двумя выделенными вершинами.

Разрушитель-создатель двойственности

В игре Maker-Breaker обычно Maker играет первым. Но также можно позволить Брейкеру сыграть первым. Игра первым - всегда преимущество: любая выигрышная стратегия для Maker, играющего вторым. ${\displaystyle (X,{\mathcal {F}})}$дает Maker выигрышную стратегию, играющую первым на ${\displaystyle (X,{\mathcal {F}})}$. То же самое и с Breaker.^[1]:15

Причем для каждой игры ${\displaystyle (X,{\mathcal {F}})}$ мы можем определить его поперечная игра ${\displaystyle (X,{\mathcal {F^{*}}})}$, в котором выигрышные наборы являются минимальными наборами, касающимися каждого выигрышного набора в исходной игре. Например, если в исходной игре выигрышные наборы равны {{1,2,3}, {4,5,6}}, то в двойной игре они равны {{1,4}, {1,5}, {1,6}, {2,4}, {2,5}, {2,6}, {3,4}, {3,5}, {3,6}}. Затем выигрышные стратегии для Breaker, играющего сначала на ${\displaystyle (X,{\mathcal {F}})}$являются выигрышными стратегиями для Maker, играющего первым ${\displaystyle (X,{\mathcal {F^{*}}})}$.^[4]:2

Вычислительная сложность

Игра Maker-Breaker завершена для PSPACE, даже если размер каждого набора ограничен до 11,^[5] где игра упоминалась как ${\displaystyle G}$(Поз. CNF 11).

Стратегии

Для решения игр Maker-Breaker обычно используются несколько видов стратегий.

Стратегии спаривания

Основная статья: стратегия спаривания

В некоторых играх возможно разделение элементов Икс (или их подмножество) в набор попарно непересекающихся пар. При определенных условиях игрок может выиграть, используя следующую жадную стратегию: «всякий раз, когда оппонент выбирает элемент пары я, выберите другой элемент пары я".

«Определенные условия» различны для Maker и для Breaker; видеть стратегия спаривания.

Стратегии от сильные позиционные игры

Каждая выигрышная стратегия для первого в сильной позиционной игре также является выигрышной стратегией для Maker в варианте «производитель-нарушитель» (см. Сильная позиционная игра # Сравнение с игрой Maker-Breaker ). В частности, если в сильнопозиционном варианте не может быть ничьей, то в варианте мейкер-брейк у Мейкера выигрышная стратегия. Обратное не всегда верно: выигрышная стратегия для Создателя в варианте «производитель-нарушитель» не обязательно является выигрышной стратегией для Первого в сильном варианте, поскольку в сильном варианте Второй может выиграть, потребовав выигрышный набор перед Первым. .

Напротив, каждая выигрышная стратегия для Брейкера в игре «производитель-брейк» также является стратегией вытягивания для Второго в сильнопозиционном варианте.

Потенциальные стратегии

Предположим, мы можем найти функцию, которая присваивает каждому выигрышному множеству потенциал на основе количества элементов, уже взятых из него Maker / Breaker. Потенциальная функция должна удовлетворять следующим свойствам:

• Потенциал выигрышного набора составляет от 0 до 1;
• Когда Breaker берет элемент, потенциал всех наборов, содержащих его, падает до 0 и остается 0;
• Когда Maker берет элемент, потенциал всех (неразрывных) наборов, содержащих его, увеличивается;
• Потенциал набора, принадлежащего Maker, равен 1.

Тогда Maker выигрывает, если сумма потенциалов больше 0, а Breaker выигрывает, если сумма потенциалов меньше 1. Следовательно:

• Если первоначальная сумма больше 0, и Maker может играть так, что сумма потенциала слабо увеличивается, то это выигрышная стратегия для Maker;
• Если начальная сумма меньше 1 и Брейкер может играть так, что сумма потенциала слабо уменьшается, то это выигрышная стратегия для Брейкера.

Выигрышное условие для Breaker

Пол Эрдёш и Джон Селфридж представил общее условие, которое гарантирует Breaker выигрышную стратегию.^[6] Они использовали стратегию, основанную на потенциале. Они определили потенциал любого (неразрывного) выигрышного сета. ${\displaystyle E}$ с ${\displaystyle |E|}$ незанятые вершины как ${\displaystyle 2^{-|E|}}$. Так что потенциал набора, занятого Maker, действительно ${\displaystyle 2^{-0}=1}$. Каждый раз, когда Maker берет элемент, потенциал каждого набора, содержащего его, увеличивается до ${\displaystyle 2^{-(|E|-1)}}$, т.е. увеличивается на ${\displaystyle 2^{-|E|}}$; всякий раз, когда Breaker берет элемент, потенциал каждого набора, содержащего его, падает до 0, т.е. уменьшается на ${\displaystyle 2^{-|E|}}$. Каждому элементу мы присваиваем ценить что равняется общему увеличению потенциала в случае, если Maker берет его, т. е. ${\displaystyle w(v):=\sum _{v\in E}2^{-|E|}}$. Выигрышная стратегия Breaker: выберите элемент с наибольшим значением. Это гарантирует, что, начиная с первого хода Breaker, потенциал всегда слабо уменьшается. Следовательно, если потенциал на первом ходу Breaker меньше 1, Breaker выигрывает. В первый ход Мейкер он может, самое большее, удвоить потенциал (взяв элемент, содержащийся во всех выигрышных наборах). Поэтому достаточно, чтобы в начале игры потенциал был меньше 1/2. Подводя итог, теорема Эрдоша-Селфриджа гласит:

Если ${\displaystyle \sum _{E\in {\mathcal {F}}}2^{-|E|}<1/2}$, тогда ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$победа Брейкера.

Теорема дает очень легко проверяемое условие, и когда это условие выполняется, она также дает эффективный алгоритм для вычисления оптимальной стратегии Брейкера.

Потенциальная функция имеет вероятностную интерпретацию. Потенциал выигрышного набора - это вероятность того, что, если с этого момента игра будет вестись случайным образом, Мейкер будет владеть этим набором. Таким образом, потенциальная сумма - это ожидаемое количество наборов выигрышей, принадлежащих Maker, если игра ведется случайным образом. Всякий раз, когда потенциальная сумма меньше 1, должен быть способ ведения игры, при котором количество наборов, принадлежащих Maker, равно 0. Гарантируя, что потенциальная сумма остается ниже 1, Breaker по существу дерандомизирует это вероятностное утверждение. пока в конце игры это не станет определенностью.

Обратите внимание, что если Breaker играет первым, условие меняется на ${\displaystyle \sum _{E\in {\mathcal {F}}}2^{-|E|}<1}$.

В частности, если все выигрышные сеты имеют размер k (т. е. игровой гиперграф есть k-равномерно), то из теоремы Эрдоша-Селфриджа следует, что Брейкер выигрывает всякий раз, когда ${\displaystyle |{\mathcal {F}}|<2^{k-1}}$, т.е. количество выигрышных сетов меньше, чем ${\displaystyle 2^{k-1}}$.^[6]

Номер ${\displaystyle 2^{k-1}}$туго: есть ${\displaystyle k}$-однородные гиперграфы, в которых количество выигрышных сетов равно ${\displaystyle 2^{k-1}}$, и где у Maker есть выигрышная стратегия. Например, рассмотрим идеальное двоичное дерево высоты ${\displaystyle k-1}$. Она имеет ${\displaystyle 2^{k-1}}$листья. Определите V как набор узлов дерева, а H как семейство всех ${\displaystyle 2^{k-1}}$пути от корня к листу. Maker начинает с выбора корня. Затем, если Breaker выбирает элемент в левом поддереве, Maker выбирает корень правого поддерева, и наоборот. Продолжая этот путь, Maker всегда может выбрать полный путь, то есть выигрышный набор.

Непересекающиеся и почти непересекающиеся гиперграфы

Если все выигрышные наборы попарно не пересекаются и их размер не меньше 2, то Breaker может выиграть, используя стратегию пар.

Предположим теперь, что выигрышные наборы почти непересекающиеся, то есть любые два выигрышных набора имеют не более одного общего элемента. Если все выигрышные сеты имеют размер ${\displaystyle k}$, а количество выигрышных сетов меньше ${\displaystyle 4^{k-c{\sqrt {k}}}}$(для некоторой фиксированной константы c), то у Breaker есть выигрышная стратегия.^[7] Таким образом, эта ситуация для Брейкера проще, чем общий случай, но сложнее, чем случай непересекающихся выигрышных наборов.

Выигрышное условие для Maker

Определить степень набора элементов как количество различных выигрышных наборов, содержащих этот набор. Определить парная степень множества-семейства, обозначаемого ${\displaystyle d_{2}}$, как максимальная степень пары элементов (максимум по всем парам). Если все выигрышные сеты имеют размер ${\displaystyle k}$, а количество выигрышных сетов превышает ${\displaystyle 2^{k-3}\cdot d_{2}\cdot |X|}$, то у Maker есть выигрышная стратегия.^{[8]:Теорема 1.}

В стратегии используется та же потенциальная функция, которую использовали Эрдош и Селфридж: потенциал выигрышного сета. ${\displaystyle E}$ с ${\displaystyle |E|}$незанятые элементы (и ни один из элементов, занятых выключателем) не ${\displaystyle 2^{-|E|}}$. Ценность элемента - это общее уменьшение потенциала, если Прерыватель берет этот элемент, что совпадает с общим увеличением потенциала, если Создатель его берет. Стратегия Maker - просто взять самый ценный элемент.

Всякий раз, когда Maker берет элемент, потенциал каждого выигрышного набора, который его содержит, увеличивается на ${\displaystyle 2^{-|E|}}$; всякий раз, когда Breaker берет элемент, потенциал каждого набора, который его содержит, нет Содержит элемент Создателя уменьшается на ${\displaystyle 2^{-|E|}}$. Следовательно, если мы рассматриваем только выигрышные множества, которые были затронуты один раз, потенциальная сумма увеличивается слабо. Сумма потенциала может уменьшаться только из-за наборов, которые содержат как элемент Создателя, так и элемент Разрушителя. Эти наборы получают ${\displaystyle 2^{-|E|}}$но потом проиграть ${\displaystyle 2^{-(|E|-1)}}$, поэтому в целом они проигрывают ${\displaystyle 2^{-|E|}}$. Поскольку в таких наборах не менее двух элементов, каждый такой набор проигрывает не более 1/4. По предположению ограниченной парной степени количество таких множеств не превосходит d₂. Следовательно, после каждого раунда сумма потенциалов уменьшается не более чем на d₂/ 4. Число раундов равно | X | / 2, поэтому конечный потенциал меньше начального не более чем на ${\displaystyle d_{2}\cdot |X|/8}$. Начальный потенциал ${\displaystyle |{\mathcal {F}}|\cdot 2^{-k}}$.

Если ${\displaystyle |{\mathcal {F}}|\cdot 2^{-k}>d_{2}\cdot |X|/8}$, конечный потенциал больше 0, поэтому есть хотя бы один выигрышный набор с потенциалом 1. Этот набор принадлежит Maker.

Хроматические числа и выигрышные стратегии

В хроматическое число из ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$это наименьшее количество цветов, необходимых для раскраски элементов X, так что ни один набор в ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$монохроматический. Если хроматическое число ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$равно 3, то у Maker есть выигрышная стратегия.^[9]

Таблица результатов

В следующей таблице приведены некоторые условия, которые гарантируют, что у одного из игроков есть выигрышная стратегия. Условие в столбце «теснота» указывает, когда известны конкретные гиперграфы, на которых стратегия перестает работать.

В любых условиях, k размер выигрышных множеств (т. е. игровой гиперграф равен k-униформа).

Условие	Победитель	Герметичность	Комментарии
${\displaystyle |{\mathcal {F}}|<2^{k-1}}$	Выключатель[6]	${\displaystyle |{\mathcal {F}}|\geq 2^{k-1}}$	Возможная стратегия
Непересекающиеся выигрышные сеты размером не менее 2	Выключатель		Стратегия спаривания
Почти непересекающиеся множества, ${\displaystyle |{\mathcal {F}}|<4^{k-c{\sqrt {k}}}}$	Выключатель[7]
Парная степень d2, ${\displaystyle |{\mathcal {F}}|>2^{k-3}\cdot d_{2}\cdot |X|}$	Производитель[8]		Возможная стратегия

Игра Breaker-Breaker

Можно играть в игру, в которой оба игрока хотят достичь цели Брейкера (т.е. иметь хотя бы один элемент в каждом выигрышном наборе). Тогда игра не обязательно будет нулевой - возможно, что оба игрока выиграют. Фактически, если у Брейкера есть выигрышная стратегия в игре «Создатель-Брейкер», возможно, что оба Брейкера выиграют в игре Брейкер-Брейкер.

Применение этой стратегии - эффективный алгоритм для раскраска гиперграф. Предположим, мы хотим раскрасить вершины k-однородный гиперграф двух цветов, так что на каждом гиперребре представлены оба цвета. Эрдош доказал еще в 1963 году, используя вероятностный метод, что такая раскраска существует, когда количество гиперребер меньше, чем ${\displaystyle 2^{k-1}}$ (видеть Свойство B ). Однако доказательство не было конструктивным. Используя конструктивную выигрышную стратегию Брейкера, мы можем раскрасить гиперграф ${\displaystyle {\mathcal {F}}}$ позволяя двум Брейкерам играть друг против друга, используя свои выигрышные стратегии. Оба игрока выиграют - поэтому у каждого игрока будет хотя бы одна вершина на каждом гиперребре.^[1]:17–20

Частичное изготовление

Предположим, что для того, чтобы выиграть, Мейкеру не нужно занимать весь выигрышный набор - ему нужно владеть только частью такого набора. Когда в этом случае может победить Брейкер?

Постоянное частичное изготовление

м элементы в одном наборе (где Breaker не владеет ни одним элементом). Если размер каждого выигрышного сета не менее м, и количество наборов меньше чем ${\displaystyle 2^{m-1}}$, то у Breaker все еще есть выигрышная стратегия. Стратегия использует потенциальную функцию: потенциал "сломанного" множества равен 0, а потенциал неразрывного множества E равен ${\displaystyle 2^{-r(E)}}$, где r (E) - количество элементов, которые Maker должен взять, чтобы его выиграть. Таким образом, начальный потенциал каждого выигрышного набора равен ${\displaystyle 2^{-m}}$, а потенциал набора, занятого Мейкером, равен 1. Отсюда доказательство аналогично теореме Эрдоша-Селфриджа.^{[8]:Лемма 1.}

Дробное изготовление

Предположим, что для победы Maker нужно владеть только частью т элементов в одном выигрышном наборе, где ${\displaystyle 1/2<t\leq 1}$. Таким образом, Breaker должен владеть дробью больше, чем (1-т) точек в каждом наборе. Определите константу: ${\displaystyle c_{t}:=(2t)^{t}\cdot (2-2t)^{1-t}=2\cdot t^{t}\cdot (1-t)^{1-t}}$(в стандартном варианте ${\displaystyle t=1,c_{t}\to 2}$).

• Если ${\displaystyle \sum _{E\in {\mathcal {F}}}{c_{t}}^{-|E|}<1}$, то у Breaker есть выигрышная стратегия когда играть первым.^{[8]:Лемма 3.}
• Если ${\displaystyle \sum _{E\in {\mathcal {F}}}{c_{t}}^{-|E|}<{1 \over 2-2t}}$, то у Breaker есть выигрышная стратегия когда играя вторым.^[10]

В частности, если все наборы имеют размер k а их количество меньше ${\displaystyle {c_{t}}^{k}}$, то у Брейкера (играющего первым) есть выигрышная стратегия.

Стратегия использует потенциальную функцию. Потенциал выигрышного набора определяется как ${\displaystyle (2t)^{-r}(2-2t)^{-s}}$, куда р - количество элементов, которые Maker должен взять, чтобы занять набор, и s это количество элементов, которое нужно взять Breaker, чтобы его сломать. Если Создатель занимает набор, то его потенциал в какой-то момент будет не меньше 1. Следовательно, Брейкер выигрывает, если ему удается сохранить сумму потенциала ниже 1. Стратегия Брейкера состоит в том, чтобы взять элемент с наибольшим значением, определяемым как сумма потенциалов выигрышных наборов, содержащих этот элемент.

Каждый раз, когда Maker берет элемент, потенциал каждого содержащего его набора умножается на 2.т, поэтому она увеличивается на (2т-1) умноженный на текущий потенциал. Каждый раз, когда Брейкер берет элемент, потенциал каждого набора, содержащего его, умножается на (2-2т), поэтому она увеличивается на (1-2т) умножить на текущий потенциал. Каждый раз, когда Разрушитель и Создатель касаются одного и того же набора, его потенциал умножается на 2.т(2-2т), поэтому она увеличивается на - (2т-1)² раз больше текущего потенциала. Поскольку элемент Брейкера имеет наибольшее значение, сумма потенциалов всегда уменьшается. Следовательно, если начальная сумма потенциалов меньше 1, Брейкер выигрывает.

Бесконечные доски

Определение игры Maker-Breaker имеет тонкость, когда существует бесконечно много вершин (${\displaystyle |V|=\infty }$) и бесконечно много выигрышных наборов (${\displaystyle |H|=\infty }$). В этом случае мы говорим, что у Breaker есть выигрышная стратегия, если для всех j > 0, Breaker может помешать Maker полностью занять выигрышный набор по очередиj.

Смотрите также

• Игра Clique
• Игра с арифметической прогрессией
• Предвзятая позиционная игра
• Игра Avoider-Enforcer

Рекомендации

1. Хефец, Дэн; Кривелевич Михаил; Стоякович, Милош; Сабо, Тибор (2014). Позиционные игры. Обервольфахские семинары. 44. Базель: Birkhäuser Verlag GmbH. ISBN  978-3-0348-0824-8.
2. Рахман, доктор Лютфар Уотсон, Томас (2018). Сложность неупорядоченных игр CNF. Schloss Dagstuhl - Leibniz-Zentrum fuer Informatik. OCLC  1081450453.
3. Чватал; Эрдош (1978). «Предвзятые позиционные игры». Анналы дискретной математики. 2: 221–229. Дои:10.1016 / S0167-5060 (08) 70335-2. ISBN  9780720410433.
4. Черненский, Андраш; Мандити, К. Иветт; Плугар, Андраш (2009). "О позиционных играх Chooser – Picker". Дискретная математика. 309 (16): 5141–5146. Дои:10.1016 / j.disc.2009.03.051. ISSN  0012-365X.
5. Шефер, Томас Дж. (Апрель 1978 г.). «О сложности некоторых игр с идеальной информацией для двух человек». Журнал компьютерных и системных наук. 16 (2): 185–225. Дои:10.1016/0022-0000(78)90045-4. ISSN  0022-0000.
6. Эрдеш, П.; Селфридж, Дж. Л. (1973). «О комбинаторной игре» (PDF). Журнал комбинаторной теории. Серия А. 14 (3): 298–301. Дои:10.1016/0097-3165(73)90005-8. МИСТЕР  0327313.
7. Бек, Йожеф (1981). «О позиционных играх». Журнал комбинаторной теории, серия А. 30 (2): 117–133. Дои:10.1016/0097-3165(81)90001-7. ISSN  0097-3165.
8. Бек, Йожеф (1981). "Ван дер Варден и игры типа Рэмси". Комбинаторика. 1 (2): 103–116. Дои:10.1007 / bf02579267. ISSN  0209-9683. S2CID  36276515.
9. Хейлз, Альфред В .; Джеветт, Роберт И. (1963). «Регулярность и позиционные игры». Пер. Амер. Математика. Soc. 106 (2): 222–229. Дои:10.1090 / S0002-9947-1963-0143712-1. МИСТЕР  0143712.
10. Сяоюнь, Лу (1991-11-29). «Игра на совпадение». Дискретная математика. 94 (3): 199–207. Дои:10.1016 / 0012-365X (91) 90025-W. ISSN  0012-365X.