Текст книги "Программирование игр и головоломок"

Автор книги: Жак Арсак

Вы научились порождать последовательности непредсказуемых чисел, или, допуская неточность речи, принятую в информатике, случайных чисел (эти последовательности совершенно не случайны; они полностью детерминированы, но, поскольку мы не можем найти простого способа перехода от данного числа к следующему и поскольку эти числа приблизительно регулярно размещены в промежутке 0 : 1, то они производят впечатление случайности). Каждое число в этой последовательности зависит только от предыдущего числа. К тому же, как и выше, вы можете получить и в самом деле непредсказуемое число, задавая компьютеру значения трех карт. Вы заставляете его вычислить значение, определенное в разд. 1.1, затем вы берете следующее за этим значением либо с помощью функции ALE или RND вашего компьютера, либо с помощью метода, описанного в разд. 1.2.

Эти последовательности случайных чисел таковы, что каждое число в последовательности зависит только от предшествующего ему и задание начального элемента последовательности полностью определяет последовательность. При отправлении из одной и той же точки два последовательно проведенных вычисления дают одинаковые последовательности. Таким образом, вы не только можете получить в играх непредсказуемые ситуации, но и воспроизвести их столько раз, сколько вам нужно. Для этого нужно, чтобы программа требовала ввести исходное значение последовательности. Я считаю удобным вывести приглашение приблизительно такого рода:

ВВЕДИТЕ ТРЕХЗНАЧНОЕ ЦЕЛОЕ

затем прочесть значение x этого целого и взять в качестве начального значения случайной последовательности число x/1000.

Исходя из генератора случайных чисел, можно легко построить последовательность целых чисел. Название функции, порождающей случайные числа, меняется от языка к языку; назовем ее

ale (x)

– это функция, сопоставляющая x, 0 ≤ x < 1, следующее за ним число

0 ≤ ale (x) < 1.

Построим теперь последовательность неотрицательных целых чисел, меньших данного числа n. У нас есть две возможности.

1. Мы порождаем последовательность случайных чисел в интервале (0, 1) и для каждого из чисел последовательности получаем соответствующее целое

x := ale (x), p = целая_часть(n * x).

Различные значения x могут давать одно и то же значение p, так что элемент, следующий за p в последовательности целых, не определяется каким-либо предсказуемым образом. Вообще говоря, данное значение p может иметь несколько последующих значений. Маловероятно, что эта последовательность окажется периодической. Это заведомо случится, если последовательность x, определяющая ее, периодична (а это бывает, хотим мы этого или не хотим).

2. Пусть p дано; тогда p/n лежит между 0 и 1. И элемент, следующий за p, можно определить формулой

p := целая_часть (n * ale (p/n)),

Здесь элемент, следующий за p, полностью определен числом p, и эта последовательность неизбежно оказывается периодической. В наиболее удачных случаях она дает n различных значений (n целых от 0 до n − 1), после чего возвращается к уже встретившемуся в последовательности числу, и – так как каждое из чисел имеет однозначно определенное следующее за ним число – мы повторяем уже построенную часть последовательности. Но чаще всего этим способом получаются слишком короткопериодические последовательности.

?? Головоломка 1. Периодическая последовательность.

Построим последовательность целых чисел в промежутке (0, n − 1) только что описанным способом. Предположим, что n достаточно велико (например 10000). Написать программу, определяющую период этой последовательности. Ограничение: вы не имеете права запоминать в таблице последовательные значения элементов последовательности (вы не имеете права запоминать их и в любой другой форме). Именно поэтому n предполагается достаточно большим: не может быть и речи о сохранении всех полученных значений, чтобы смотреть, встречается ли каждое новое значение среди предыдущих. Нужен другой метод. Вам предлагается обнаружить один из них…

Головоломка для маленького вундеркинда.

В прессе – как американской, так и французской – часто появляются восторженные сообщения о детях, которые обучаются работе с компьютером за несколько часов и затем объясняют своим родителям, как это делается. Разрастаются клубы по информатике, где дети пишут программы, заставляющие бледнеть профессионалов. Подающие надежды Эйнштейны информатики… Я бы никогда и не предлагал следующую головоломку, если бы не был жестоко ущемлен одним из них. Понятно, что я не скажу, ни где, ни когда.

Я находился в зале для практических занятий с детьми 15–16 лет. Преподаватель предложил им составить программу, бросающую две случайные кости и сообщающую число появлений каждой комбинации (см. упражнение 4). Маленький местный вундеркинд закончил свою довольно простую (не так ли!) программу, и преподаватель предложил ему следующую задачу:

пусть последовательно n раз выбрасывается «орел» или «решка». Сосчитать число случаев появления комбинации «орел» – «орел» – «орел», и число случаев появления комбинации «орел» – «решка» – «орел».

Мальчик очень быстро написал программу, но она не пошла. Поэтому я уселся рядом с ним и предложил ему проверить, это именно не идет. Мы вывели программу на экран. Совершенно непонятно. Плохо вложенные циклы. Поскольку ошибки были, то пришлось делать исправления вплоть до убирания одного GOTO, чтобы заменить его другим GOTO. Я сделал ему замечание, что его программа непонятна, на что он ответил, что это не имеет значения, поскольку он ее понимает. Я возразил ему, что через три месяца он сам ее не поймет: никакой реакции, это его не интересовало… Так что взаимопонимания между нами достичь не удалось. Я вижу только два возможных объяснения этого явления, в конечном счете не исключающих друг друга: многие преподаватели лицеев располагают наблюдениями такого рода.

Можно представить себе, что успешный диалог между человеком и машиной разрушительно действует на диалог между людьми. Это было бы катастрофой. Но эту столь пессимистическую гипотезу ничто реально не подкрепляет,

Гораздо более правдоподобно, что этот мальчик (как и подобные ему) встречают естественные затруднения в общении с другими людьми. Он нашел в информатике страну, в которой можно избежать такого общения и где машина принимает все, что он скажет, какова бы ни была форма и структура, лишь бы только синтаксис был соблюден. Именно поэтому феномен «информатических клубов» оказывается опасным. В рамках преподавания информатики нужно, чтобы преподаватель требовал от своих учеников анализа поставленной задачи и словесного выражения на обыденном языке результата этого анализа. Программирование может начаться только после этого. На этом уровне преподаватель заботится о качестве стиля программ, написанных по ясному плану… (Я надеюсь, что и вы работаете именно так, иначе вас нужно остерегаться.) В обстановке, когда подростков недостаточно контролируют и они находятся как бы на самообучении, они могут оказаться свободно предоставленными своим естественным склонностям. Если организованное преподавание помогало бы им учиться выражать и структурировать свои мысли, то всетерпимость к средствам выражения, свойственная машине, позволяет им оставаться в их собственном мирке, и случайные – но настоящие – успехи ошибочно убеждают их, что искать других путей не нужно. Это ли нужно подросткам, испытывающим трудности при общении?

Вернемся к нашим баранам. Если кто-то из молодых людей и обломает на этой задаче свои зубы, то это, может быть, и правда головоломка. Пора перейти к формулировке задачи.

* Головоломка 2. Последовательности «орлов» и «решек».

Осуществим n выбрасываний «орла» и «решки» с большим n (например 10000). Сколько раз встретится в ней данная комбинация из m следующих друг за другом выбрасываний (например, 10 раз «орел» или чередование из 10 выбрасываний «орла» и «решки», начиная с «орла»).

Есть много способов решить это упражнение. Они не все равноценны по времени вычисления. Я взял большое n и относительно большое m, чтобы прояснить явление. Ваша программа не должна работать долгие часы…

* Игра 3. Покер – М – С.

Я не уверен, что это следует писать. Я знаю эту игру только по услышанной мною радиопередаче какой то периферийной радиостанции (угадайте какой?). Тасуем карточную колоду. Разыгрывается некоторая сумма. Верен верхнюю карту из пачки и требуем от игрока, чтобы он угадал, является ли следующая карта младшей или старшей по отношению к только что взятой. Учитывается только число очков, а не масть карты. Валет всегда больше девяти, король больше валета, туз больше всех. Если игрок угадал правильно, сумма в игре возрастает (я не знаю точно, добавляется ли при этом некоторое фиксированное количество или сумма удваивается, но это не так уж важно. В любом случае ваш компьютер не имеет связи с распределителем банковских билетов. Жаль, быть может…). Если он не угадывает, он теряет все, В конце некоторого фиксированного числа бросаний (кажется 6; я слушал недостаточно внимательно, я прошу прощения у упомянутой станции) игрок, если он всегда оказывался прав, присваивает сумму игры.

Составьте программу, которая позволит вам быть игроком, а компьютер пусть будет всем остальным (за исключением того, что вы называете и сумму игры). На мой взгляд, хотя я могу и ошибаться, единственная трудная задача – перетасовать карты…

?** Игра 4. Лабиринт для шахматного коня.

Лабиринты являются очень высоко ценимыми головоломками. Почему не использовать компьютер и генератор случайных чисел для построения случайных лабиринтов, которые вы затем будете пытаться пройти? Но мой микрокомпьютер не имеет графических возможностей. К тому же если у вашего такие возможности есть, то я не уверен, что желание нарисовать обычный лабиринт приводит к хорошему упражнению по программированию. Внимание часто в большей мере поглощается графическими задачами, чем более фундаментальной задачей порождения лабиринта. Тем не менее, если вам так подсказывает сердце, не стесняйтесь: , стройте от случая к случаю такой лабиринт, чтобы у него был хотя бы один путь от начала к концу, и играйте с ним.

Чтобы освободиться от графических задач, рассмотрим другую форму лабиринта. Его создание составляет головоломку, а использование – игру. Пусть дана прямоугольная область, образованная n строками с p полями на каждой из них. На моем компьютере, где приходится учитывать формат экрана, числа n = 12 и p = 20 дают хорошие результаты. Занятые места считаются препятствиями (обозначенными здесь 0), пусть как-то помечены свободные места (здесь – точкой), пусть значок * обозначает всадника. Конь перемещается, как конь в шахматах: два шага в одном направлении и еще один шаг перпендикулярно предыдущему направлению. Конь может перемещаться только с одного свободного места на другое, В начальный момент он находится в правом нижнем углу. Он должен попасть в верхний левый угол (который, таким образом, тоже должен быть свободным). Число ходов игры ограничено. На рис. 1 изображен типичный пример лабиринта.

Составьте программу для компьютера для создания этого лабиринта и попытки его пройти. Так как должен существовать какой-то путь, проходящий из правого нижнего угла в правый верхний угол, то я предлагаю вам действовать следующим образом:

– возьмите случайным образом путь, связывающий эти два угла. Это – маленькая головоломка. Может быть, вы знаете задачу Эйлера о шахматном коне: составить такой путь коня по шахматной доске, чтобы он побывал на каждом поле один и только один раз. Но здесь у вас больше свободы. Тем не менее не представляется разумным проходить два раза одно и то же поле (если ваш путь будет содержать круг, то он будет предоставлять возможность для короткого замыкания, т. е. удаления этого круга). Но, может быть, это и не необходимо. Если мы много раз попадаем на одно и то же поле, то мы предоставляем много возможностей выбора, и осложняем задачу воссоздания пути. Не нужно использовать какой-либо систематический алгоритм прохода, иначе ваш лабиринт будет расшифровываться слишком быстро. Следующий за данным полем шаг на нашем пути должен выбираться случайным образом. Как тогда мы сможем быть уверены в попадании в левый верхний угол?

– получив однажды такой путь, отметьте его. Затем вы случайным образом распределяете препятствия на полях, не принадлежащих выбранному пути. Степень заполнения этих полей является параметром, который вы подберете по опыту. Если вы поставите слишком мало препятствий, ваша шахматная доска будет почти пустой, и будет много возможных путей, так что лабиринт не получится. Если же вы поставите много препятствий, то

дуть будет почти полностью определен (на рисунке препятствия занимают приблизительно 2/3 полей. Это – верхняя грань);

– когда это сделано, вы снимаете обозначения полей выбранного пути, заменяя их точками. Лабиринт готов к показу.

Остается обеспечить движение коня. Вот как действую я. Сначала я подсчитываю число полей на исходном пути, которые были выбраны случайно, и вывожу это число в качестве верхней границы числа ходов. Я свидетельствую, что всегда обнаруживался более короткий путь. Я не пытался объяснить этот экспериментальный факт…

Компьютер сообщает число оставшихся ходов и требует ваших указаний о движении. Ответ дается в виде двух букв: первая из этих букв дает направление, в котором нужно переместиться на два шага, вторая буква дает перпендикулярное предыдущему направление, в котором нужно сделать один шаг: Н – для нижней, В – для верхней, П – для правой, Л – для левой сторон. В случае на рис. 1 первое движение предписывает ЛВ – два шага влево, один вверх.

Компьютер анализирует ответ. Если превышено число ходов или ход встречает препятствие, то игрок проигрывает. Если нет – звездочка, изображающая коня, перемещается в новое положение, число оставшихся ходов уменьшается на единицу, и игра продолжается.

Игра 5. Спящая красавица.

Краткое содержание предыдущих эпизодов. Доктор Жабуэ не убил великолепную Жюли, он только приостановил жизненные процессы. Ее мог бы разбудить надлежащий лицевой массаж, но это его не беспокоит, впереди еще много времени. Из замка вывезено все, что имело хоть какую-то ценность: обстановка, картины, произведения искусства… Молодой повеса обнаруживает пустой замок и находит, что он должен быть замечательным треком для мотогонок…

13-й эпизод.

Рыжий Тони входит в темную комнату. Несмотря на грохот мотоцикла, отчетливо воспринимается равномерный храп. Он зажигает фару и обнаруживает безмятежно спящую прекрасную Жюли. Ослепленный ее красотой, он приближается к ней и гладит ее по лицу. Ничего больше и не нужно. Жюли внезапно просыпается и, приходя в сознание с удивительной быстротой, восклицает: «Бежим отсюда скорее, в замке западня, все сейчас взорвется». Тони садится на мотоцикл. Жюли вскакивает на сиденье за Тони и пристегивается к нему. Но уже повсюду гремят взрывы, и огонь охватывает деревянный потолок. Тони мчится зигзагами среди обломков. Обрушиваются куски горящих балок, угрожая раздавить их в любой момент.

Удастся ли им выбраться из замка? Продолжение в следующем эпизоде.

Эта игра является вариантом предыдущей. Вы представляете замок тем же самым прямоугольным пространством, где точки обозначают свободные места, нули – препятствия, а звездочка сообщает местоположение Тони, В начале игры Тони находится в правом нижнем углу, а выход находится в левом верхнем углу. Препятствий вначале крайне мало. После каждого хода Тони компьютер случайным образом формирует новые препятствия и размещает их на игровом поле. Если Тони оказывается на месте одного из них, то он раздавлен и для него все кончено…

Чтобы оставить Тони хоть какой-то шанс, я предпочитаю устанавливать препятствия парами – поочередно вертикальными и горизонтальными. После небольшого наблюдения можно заметить, что движение большей частью идет в тесных коридорах, куда препятствия не могут попасть (нужно по крайней мере два смежных свободных поля, чтобы там могло разместиться препятствие).

Если не принимать мер предосторожности, то препятствия могут полностью загородить путь к выходу. Может быть, предпочтительнее условиться, чтобы хоть какой-то путь оставался свободным. Каким образом – на ваше усмотрение. В своей первой версии такой программы я этого не сделал. Чаще всего выход оказывался блокированным и игра могла быть выиграна лишь в исключительных случаях.

2. Игры с числами

Есть много примеров арифметических игр, головоломок и развлечений. Их можно найти в [BAL], [BER], [KUE]. Мы обращаемся и к другим источникам и добавляем некоторые задачи, которые представляют интерес собственно с точки зрения программирования. Многие арифметические головоломки можно сделать вручную: для чего составлять программу? Очень часто вам нужно сделать часть работы на руках, а машина сделает остальное. Это вы должны правильно распределить работу, иначе время вычисления может оказаться чрезмерным. Строгих правил здесь нет. Одна и та же задача может иметь много решений, и методы решения одной и той же задачи могут быть различными. Это и создает игровую ситуацию.

Группировка различных головоломок по темам более или менее условна. Начнем с наиболее простых задач.

ДЛЯ РАЗМИНКИ.

Головоломка 3. Вращающееся число.

Найти такое число, оканчивающееся на 5, что, умножая его на 5, мы получим новое число, полученное из предыдущего вычеркиванием цифры 5 на конце и приписыванием ее в начале.

Это легко…

Та же задача с заменой 5 на 2.

Можно ли заменить здесь 5 какой-нибудь цифрой, отличной от 0?

** Головоломка 4. Квадратный корень.

Извлечь целый квадратный корень с недостатком из очень длинного целого числа (намного более длинного, чем наибольшее целое, которое воспринимается вашим компьютером, например, содержащего 50 или 100 значащих цифр),

Вот две известные в информатике головоломки. Сожалею, что обманываю ожидания своих коллег, которые не найдут здесь ничего нового…

?* Головоломка 5. Последовательность Хэмминга.

Рассмотрим числа, не имеющие других простых делителей, кроме 2, 3 и 5. Расположим их в возрастающем порядке. Это и есть последовательность Хэмминга. Вот ее начало:

2 3 4 5 6 8 10 12 15 16 18 20 24 25 27 30 32 36 40 45 48 50…

Составьте программу, выписывающую n первых членов этой последовательности для большого n. Внимание: вы должны порождать последовательность Хэмминга в порядке возрастания ее членов. Нетрудно, например, взять степени тройки и разместить их в последовательность. Вы же образуйте последовательность от номера 1 до номера i − 1, а затем вычислите и поставьте на место элемент, последовательности с номером i. В этом-то и головоломка…

?** Головоломка 6. Счастливые числа.

Унтер-офицер собирает своих людей, чтобы решить, кого отправить в наряд на картошку.

«Постройтесь гуськом и рассчитайтесь, начиная с 2». Первый из стоящих говорит 2, следующий – 3, следующий – 4 и т. д.

«Первый в ряду, выйди из строя. Ты освобожден от наряда. Какой у тебя номер?»

«Второй», – отвечает солдат.

«Начиная со второго, рассчитаться по два; тем, кому не выпадет 2, выйти из строя; они пойдут в наряд».

И процесс возобновляется. Первый из вышедших из строя имеет номер 3, и он счастлив: он освобожден от наряда. Теперь рассчитываются по трое, начиная с 3 – с того, кто первым вышел из строя за нарядом…

Составьте программу, выписывающую n первых счастливых чисел для большого n (100, даже 500), Внимание: в чем состоит головоломка: каждый член последовательности должен вычисляться, исходя из данных значений предыдущих счастливых чисел. У вас есть i первых, вычислите следующее. В таблице-то легко вычеркивать… Вот первые счастливые числа:

2 3 5 7 11 13 17 23 25 29

Счастливые числа – не обязательно простыв, а простые числа – не обязательно счастливые…

??? Головоломка 7. Дьявольская последовательность.

Марк Твен описал в своих рассказах жуткую историю. Человек прочел глупые стихи вроде

 
Кондуктор, отправляясь в путь,
Не рви билеты как-нибудь,
Стриги как можно осторожней.
Чтоб видел пассажир дорожный:
 
 
Синий стоит восемь центов,
Желтый стоит девять центов,
Красный стоит только три.
Осторожней режь, смотри!
 
 
Припев:
Режьте, братцы, режьте! Режьте осторожно!
Режьте, чтобы видел пассажир дорожный!
 

(Я цитирую по памяти, но дух соблюден.) Он был порабощен ритмом этих стихов, что стало настоящим наваждением. Если он начинал писать, его перо выводило «Режьте, братцы, режьте». Если он встречал кого-нибудь, он не здоровался с ним, а говорил «Режьте, братцы».

Он пробовал управлять собой, но это подрывало его здоровье. Он решил обратиться к своему священнику и объяснить ему, в чем дело, и читал ему это маленькое стихотворение, подчеркивая его ритм, пока пастор не выучил его наизусть. Ушел он исцеленный.

Но в воскресенье пастор начал проповедь словами «Режьте, братцы, режьте». Что бы ни было в гимне, который он запевал, слова были одни – «Режьте, братцы, режьте…» Его жизнь стала адом. Он не мог исцелиться, пока в один прекрасный день ему не удалось злодейски обучить этому стихотворению одного профессора университета…

Нижеследующее и есть «режьте, братцы, режьте». Оно преследует меня долгие годы. Я потерял массу времени на размышления о нем без сколько-нибудь значительного успеха. Но ничто меня не занимает в большей степени. Моя единственная надежда освободиться от него – это то, что вы им заинтересуетесь…

Последовательность определяется следующим образом: первый член этой последовательности есть произвольное нечетное число, отличное от единицы. Следующее за числом p равно

p/2, если p четно,

Зp + 1, если p нечетно.

Последовательность заканчивается, когда в ней встречается значение 1.

Вот последовательность, которую мы получим, исходя из 7:

7 22 11 34 17 52 26 13 40 20 10 5 16 8 4 2 1

Нет никакой надежды, что вам удастся доказать, что для любого нечетного числа в качестве начального значения последовательность достигает единицы.

Но в высшей степени увлекательно составить эту крошечную программу и посмотреть, как она работает. Испытайте число 27 в качестве начального значения: вы получите очень длинную последовательность, среди элементов которой есть 9232. Если вы изучите ряды чисел, получаемые для начальных значений, взятых среди нечетных целых от 3 до 99, вы получите довольно много патологических последовательностей, не всегда сильно отличающихся. Все это очень смущает. Ни один специалист по теории чисел еще не смог Доказать, что такая последовательность принимает значение 1 для любого начального значения. Не больше известно и о том, почему некоторые из этих последовательностей – короткие, а другие – слишком длинные…

Эта программа замечательно иллюстрирует то, что называется «проблемой остановки». Существуют простейшие программы, относительно которых нет уверенности, что они остановятся…

Теперь, когда вы уже познакомились с этой последовательностью, получите предмет головоломки. Заметим сначала, что если p нечетно, то мы переходим к Зp + 1 – числу, отличному от 1. Очевидно, что непосредственно предшествующий шаг есть деление на 2. Поэтому можно изменить правило построения последовательности описанным ниже образом: следующее за числом p равно

p/2, если p четно,

(Зp + 1)/2, если p нечетно,

Это вычеркивает некоторые члены предыдущей последовательности, не меняя проблемы остановки:

7 11 17 26 13 90 10 5 8 4 2 1

Вы можете пойти еще дальше в том же направлении, объединяя вместе все последовательные шаги, действующие по правилу (Зp + 1)/2, и все следующие за ними шаги, состоящие в делении на два. Вы получите два новых правила перехода, гораздо более уплотненные. Свяжите их и пустите в ход. Для числа 7 вы должны без задержки получить последовательность

7 13 5 1

Это позволяет рассматривать обобщения задачи. Пусть k – нечетное число. Возьмем в качестве правил перехода следующие:

p/2, если p четно,

k * p + k − 2, если p нечетно.

Возможно уплотнение, аналогичное предыдущему. Для k = 5 следующее за числом 3 есть 3, и существуют исходные точки, для которых программа не останавливается. Для k = 7 она идет точно так же. Так что проблема остановки связана со свойством числа k. Я бы здесь… Впрочем, мало ли чего я хочу!