Текст книги "Программирование игр и головоломок"

Автор книги: Жак Арсак

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 16 страниц)

Часть II. Первая помощь

У вас возникли затруднения, – вы не знаете, как приступить к игре или головоломке. Я не хочу предлагать вам готовое решение, иначе в чем будет удовольствие? Но, вероятно, нижеследующие указания наведут вас на правильный путь. Если бы я мог использовать дискетку вместо книги, я разложил бы эти указания на как можно большее число уровней, чтобы вы были в состоянии брать из них тот строгий минимум, который позволит вам продолжать решение. Но и в книге вы всегда можете прочесть только начало и – как только искра вспыхнет – отложить книгу и завершить решение самостоятельно.

Некоторые упражнения кажутся мне настолько очевидными, что я ничего про них не скажу. Но, конечно, это субъективная точка зрения: они могут не казаться очевидными вам. Может быть, потому, что вы не видите, в чем задача: разберите простые случаи вручную, В любом случае старайтесь сформулировать задачу с максимальной возможной полнотой, Если и после этого вы по– прежнему не видите, как вам ее охватить, поговорите с друзьями или с приятелями, Я умышленно не собираюсь сообщать вам все. Эта книга написана для того, чтобы вы стали программировать. Вам играть…

1. Случайные числа

Упражнение 2.

Нужно изучить поведение дробной части (x + a)⁸, когда x меняется от 0 до 1. Нарисуйте, хотя бы приближенно, кривую, представляющую эту функцию. Рассмотрите интервал на оси x, в котором значение функции меняется от некоторого целого числа до следующего за ним. Отметьте на кривой точку, в которой ордината равна этому целому, увеличенному на 0,5. Она разбивает область изменения x на два интервала. Равны ли между собой эти две половинки? Если одна из них больше другой – и если это одна и та же половинка для всех интервалов – то у вас больше шансов получать числа, меньшие (или большие, вам будет видно самим), чем 0,5.

Но что касается выбора a, то напомним, что следует избегать соотношения

дробная_часть ((x + a)⁸) = x,

иначе вы вместо случайной последовательности получите постоянную последовательность. Проверьте числа x = 0, x = 0,5 и x = 1.

Упражнение 4.

Вы располагаете генератором случайных чисел, дающим число, содержащееся между 0 и 1, и вы хотите получить случайным образом число между 1 и 6, включая границы. Тогда остается сказать, что вам нужно различать 6 случаев и приписать каждому из случаев значение одного из этих целых чисел.

Почему не разделить интервал (0, 1) на 6 частей?

Или еще по-другому: почему бы не умножить выше случайное число на 6. Тогда оно окажется в интервале (0, 6), исключая 6. Если вы возьмете целую часть результата, то вы получите целое число от 0 до 5, включая границы, с равными вероятностями для каждого числа… Завершить следует вам, я уже сказал слишком много!

Игра 1.

Если вы знаете, как сделать предыдущее упражнение, то это для вас уже не задача. Нужно подделать кости, иначе говоря – сделать так, чтобы одна из граней выпадала чаще остальных. Это должно означать, таким образом, что вместо того, чтобы делить интервал (0, 1) на 6 равных Частей, нужно взять 5 частей равных между собой, а шестую побольше. Легко! Наиболее простое решение состоит в умножении случайного числа на целое, большее 6, и в присвоении новых значений грани,_; которую вы решили предпочесть.

Элементарно, мой дорогой Ватсон!

Игра 2.

Х.-К. Байи упростил задачу, указав две возможные стратегии:

– бросать кость до тех пор, пока не будет достигнута некоторая намеченная заранее сумма (по крайней мере если игрок не будет остановлен по дороге выбрасыванием единицы);

– бросать кость определенное число раз, намеченное заранее.

В первом случае предположим, что уже имеющаяся у вас сумма равна n и что вы собираетесь осуществить еще одно бросание. У вас есть один шанс из 6 получить каждое из следующих шести чисел: 0, n + 2, n + 3, n + 4, n + 5, n + 6. Если вероятный выигрыш не увеличивает полного выигрыша (если среднее из этих чисел меньше n), то играть не следует. Вы должны получить n = 20.

Если вы бросаете кость 6 раз, то – поскольку все грани имеют равные шансы выпасть – вы должны проиграть. Это не слишком строгое рассуждение, но короткое… Если единица вам не выпала, то у вас один шанс из пяти получить числа от 2 до 6, что дает в среднем 4. За 5 ходов получаем 20. Это – еще один способ получить оценку для числа ходов.

Но есть и другие возможные стратегии. Вы можете, в частности, решить останавливаться в зависимости от того, какое из двух событий наступает первым: сумма, большая 19, или число ходов, равное 5.

Используйте ваш компьютер, чтобы произвести соответствующие опыты.

Если вы хотите взглянуть на это с точки зрения искусственного интеллекта, то вы можете также снабдить вашу программу механизмом самообучения. Вы помещаете в вашу программу три упомянутые выше стратегии. Розыгрыш определяет случайным образом ту, которая будет использована в каждой из партий. Вначале все три стратегии имеют равные вероятности. Если выбранная стратегия выигрывает, то вероятность ее применения увеличивается. Если она проигрывает, то ее вероятность уменьшается. Чем больше вы играете, тем чаще компьютер должен выигрывать. После очень большого числа партий полученные частоты применения стратегий скажут вам, какая из них является наилучшей.

Головоломка 1.

Это – нетрудная программа, разве что вы не взяли па себя заботу четко сформулировать задачу. Последовательность целых чисел, порождаемая этой программой, является так называемой возвратной последовательностью, каждый член которой полностью определяется значением предыдущего члена:

u_i = f(u_i−1),

Сказать, что последовательность u_i становится периодической – то же, что сказать, что существует некоторое p, для которого

u_i+p = u_i

для достаточно больших i. Но если это выполняется для данного i, то

u_i+p+1 = f(u_i+p) = f(u_i) = u_i+1

и, следовательно, u_j+p = u_j для любого j, большего i. Пусть r – наименьший из индексов, для которых u_r+p = u_r.

От вас не требуют найти число r, нужно найти только число p. Можно предложить два решения:

– если i – достаточно большое число, кратное p, то u_2i = u_i;

– выберите исходное значение d и длину интервала h. Для любого i от d + 1 до d + h посмотрите, не равно ли соответствующее значение u числу u_d. Если равно, то вы нашли период и все закончилось. Если же никакого равенства не получается, то либо d меньше, чем r, либо h меньше p, либо и то, и другое. Попытайтесь сделать то же еще раз с бо́льшими d и h.

Есть много способов реализовать вторую из этих стратегий. По крайней мере в некоторых случаях она быстрее первой.

Головоломка 2.

Совершенно ясно, что вы не можете начинать проводить какие-либо статистические подсчеты до того, как вы реализуете m бросаний. Наш маленький вундеркинд хотел бы сделать единственный цикл, в котором m − 1 первых ходов подвергаются специальной обработке. Это – совершенно бесполезная сложность. Составьте первый цикл по данным m первым ходам. Затем – второй цикл, проводящий статистику.

Наш маленький вундеркинд совершил и вторую ошибку, для меня еще более необъяснимую: он объединил последовательные ходы в таблицу. Но это совершенно бесполезно. В любой момент единственное, в чем вы нуждаетесь, это в результатах m последних бросаний. С каждым новым бросанием результат наиболее старого из учитывающихся ранее бросаний теряет силу. Поэтому вы можете его упразднить, Если и есть таблица, то ее размер m, а не n!

Но не очевидно, каким образом хранить в таблице m бросаний. Вы можете представить их в виде m символов, образующих цепочку. На каждом ходе цепочка теряет свой последний символ и получает новый первый символ.

Но можно сделать еще и по-другому. Речь идет об «орле» и «решке». Нам нужно только два различных символа, например, 0 и 1. Эти m символов 0 и 1 могут рассматриваться как цифры числа в двоичной записи. Тогда вам не нужна ни таблица, ни цепочки символов. В соответствии с выбором нужно выполнить либо умножение на 2 (что сводится к одному сложению), либо деление на 2.

Относительные успехи трех наших решений зависят от используемой вами системы. В зависимости от управления, принятого для таблиц и цепочек, в зависимости от искусства программиста, составившего систему интерпретации вашего языка высокого уровня, либо таблица одолевает цепочки, либо наоборот.

В составленной мною системе на языке LSE использованы двоичные числа, дающие несколько лучший результат, чем полученные с помощью цепочки., которые, в свою очередь, дают заметно лучший результат, чем полученный с помощью таблиц.

Игра 3.

Единственная трудность в этой программе: перетасовать карты. Я уже упомянул об этом, описывая условия игры. Есть много возможных идей:

– приготовить сначала карточную колоду, затем вытаскивать их из стопки одну за другой. В этом случае у вас будет выбор, как поступать:

либо расположить карты в таблицу в 52 полями, либо создать цепочку ив 52 символов. Но нужно ли это на самом деле? Почему бы не исходить из простой начальной ситуации: упорядоченной таблицы или отсортированной цепочки, затем выбирать элемент этого множества с помощью случайного бросания, вынимать его из множества и повторять процедуру с меньшим количеством элементов.

Если так поступать, то применение таблицы становится тонкой задачей: как изъять элемент из множества?

Его можно изъять «физически». Все элементы, расположенные выше него, спускаются в таблице вниз на одну ступеньку. Это сохраняет порядок оставшихся элементов.

Но нужно ли это? Почему бы, что гораздо проще, не переставить выбранный элемент с последним элементом таблицы в процессе выполнения операции?

Как только мы это обнаружили, становится очевидно, что в перетасовывании карт, исходя из начальной колоды, больше никаких трудностей нет: вы размещаете колоду в упорядоченную таблицу из n карт, вы выбираете случайным образом целое число между 1 и n, вы меняете местами соответствующий элемент с элементом n, затем вы уменьшаете n на единицу и повторяете процедуру.

Элементарно, когда все испробовано!

Игра 4.

Я уже дал все необходимые пояснения, кроме порождения лабиринта. Первую попытку я предпринял со следующим алгоритмом:

– поставить i в начальное положение (правый нижний угол),

– выбрать случайным образом направление перемещения (целое от 1 до 8); если это перемещение невозможно – перейти к следующему перемещению, пока не будет найдено возможное перемещение;

– передвинуть i в соответствии с этим перемещением;

– если i оказался на поле прибытия, то все закончено, в противном случае повторить процедуру.

Опыт показывает, что чаще всего эта программа не останавливается.

Так как есть основное направление перемещения, подлежащее реализации (диагональ игры), то я изменил случайный выбор так, чтобы сделать более частными перемещения влево и вверх или вверх и влево.

Так как у меня еще были и другие задачи, я решил останавливать случайный выбор, когда i оказывается в маленьком прямоугольнике вверху слева. Полученный реестр (сделанный из таблицы или цепочки символов) дает тогда путь, ведущий из каждой из точек этого прямоугольника к полю прибытия.

Остальное просто.

Игра 5.

Эта игра не представляет никаких трудностей. Пусть вы не пытаетесь гарантировать Тони возможность выхода. В программе – никакой стратегии: один ход на два поля, два препятствия на горизонтальной линии на двух свободных полях (вы выбираете клетку случайным образом. Если она или ее соседка справа не свободны, то вы повторяете выбор. Если они свободны – вы их помечаете. Тем хуже для Тони, если он накрыт), два препятствия случайным образом на двух вертикальных полях.

Если вы решили оставить Тони шансы на спасение, действуйте, как в предыдущей программе. Вы случайным образом выбираете путь и обозначаете его так, чтобы никакое препятствие на него сверху не падало. Но вы не выводите на экран этих обозначений.

2. Игры с числами

Головоломка 3.

Я нашел это упражнение в монографии, посвященной языку Пролог. Предложенное там решение действует методом проб и ошибок. Но задача решается намного проще.

Как всегда, полностью определим задачу. Искомое число представляется в десятичной системе последовательностью цифр

c_nc_n−1…c₂5

Умножая на 5, получаем

5c_nc_n−1…c₃c₂

Отсюда следует, что c₂ = 5. Все цифры c_i точно так же итеративно вычисляются справа налево, обыгрывая оставшееся от предыдущего умножения «в уме»: когда вы умножаете крайнее справа 5 на 5, вы получаете 5 единиц, что и дает c₂ = 5, и 2 «в уме». Тогда вы можете вычислить c₃ и новую цифру «в уме» и продолжать шаг за шагом. Остается маленькая задача о том, как узнать, когда следует остановиться. Изучите ее сами; как обычно, я не хотел бы сообщать вам все…

Вы можете также действовать слева направо:

5c_nc_n−1…c₃c₂ : 5 = c_nc_n−1…c₂5

Деля левую цифру на 5, вы получаете c_n = 1. Имея c_n, вы можете продолжать деление. И здесь тоже вам нужно будет принимать во внимание перенос результата, полученного при предыдущем делении, и нужно будет знать, когда остановиться. Эти два метода по существу равносильны.

Остальное оставляю исследовать вам.

Головоломка 4.

Обычно я бываю глубоко разочарован тем, что нахожу в книгах по информатике или по математике касательно квадратных корней. Чаще всего вам предлагают метод Ньютона: пусть вам нужно извлечь квадратный корень из числа x. Вы образуете возвратную последовательность u_i по правилу

u_i+1 = (u_i + (x/u_i))/2.

Вне всякого сомнения, вы можете взять u₀ = 1 в качестве начального значения. Эта последовательность очень быстро сходится к квадратному корню из x. Если, например, взять x = 50 и воспользоваться формулой

u_i+1 = целая_часть ((u_i + (x/u_i))/2),

чтобы иметь дело только с целыми числами, то в качестве последовательных значений и вы получите

u₀ = 1, u₁ = 25, u₂ = 13, u₃ = 8, u₅ = 7, u₆ = 7.

Чтобы использовать здесь этот алгоритм, вы должны написать программу целочисленного деления двух целых чисел большой длины.

Другой способ действия основан на том факте, что разность двух последовательных квадратов есть нечетное число:

(n + 1)² − n² = 2n + 1,

так что последовательные разности являются последовательными нечетными числами. Поэтому можно видеть, что сумма нечетных чисел от 1 до 2k − 1 включительно есть k². Обратно, если вычитать из n последовательно возрастающие числа, пока это возможно (не допуская, чтобы результат становился отрицательным), тогда искомый квадратный корень есть к, если последнее нечетное вычитаемое равно 2k − 1. Таким образом, для 50

50 − 1 = 49,

49 − 3 = 46,

46 − 5 = 41,

41 − 7 = 34,

34 − 9 = 25,

25 − 11 = 14,

14 − 13 = 1.

Нельзя продолжать, не получая отрицательной разности. Последнее нечетное вычитаемое равно 13, поэтому корень есть (13 + 1)/2 = 7 (и остаток 1). Этот способ гораздо лучше подходит для распространения на случай очень больших чисел, потому что вам требуется реализовать только две операции:

– прибавить 2 к большому числу;

– вычесть одно большое число из другого.

Но число шагов цикла равно искомому квадратному корню, а он может оказаться весьма большим.

Можно обобщить предыдущий алгоритм, используя свойства десятичной записи чисел. Данное число разделяется на куски по две цифры, начиная справа; затем мы начинаем вычитать последовательные нечетные числа из крайнего слева куска:

Если это нельзя продолжать дальше, то последнее вычитаемое число увеличивается на единицу, сдвигается на один шаг вправо, и следом за ней приписывается единица. Это – первое нечетное число, которое следует вычитать из предыдущего остатка.

В приведенном выше примере 7 + 1 = 8; приписывая 4, получаем 81 и продолжаем:

Поскольку продолжать дальше нельзя (последнее возможное вычитание из остатка – это крайнее справа), то последнее из вычитаемых чисел нужно увеличить на 1, а затем разделить на 2, чтобы получить корень. Последний остаток и есть остаток квадратного корня:

85 + 1 = 86, 86/2 = 43,

1909 = (43)² + 60.

Этот алгоритм достаточно прост для программирования при длинных числах, и он дает вполне разумное время вычисления.

У вас много возможностей представлять свои данные. Так как мы оперируем с кусками из двух цифр, то вы можете задавать свои данные таблицами целых чисел в интервале от 0 до 99.

Вы можете представлять свои целые числа как цепочки символов, где используются только числовые символы (цифры) от 0 до 9. Выбор способа зависит от ваших предпочтений и от возможностей вашей машины оперировать с таблицами и цепочками. Тщательно рассмотрите, какие операции нужно сделать. Вы ничем не ограничены: почему бы не запрограммировать и сравнить два разных решения?

Я предложил вам алгоритм без доказательства. Поэтому попытайтесь его проверить…

Я предложил вам алгоритм для десятичной системы счисления. Можно предложить похожий алгоритм для двоичной системы. Тогда не возникнет цикл вычитаний последовательных нечетных чисел из каждого куска, поскольку в куске есть только одно нечетное число: 1. Алгоритм упрощается: если можно вычесть нечетное число – мы его вычитаем, в противном случае мы не делаем ничего. Затем сдвигаем, добавляем 1 и приписываем 1 в конце… Этот алгоритм намного легче реализовать. Но тогда нужно сначала перейти к основанию 2, а затем преобразовать двоичный результат в десятичный. Вам следует посмотреть, что более эффективно…

Головоломка 5.

Аккуратно поставим задачу. То, что от вас требуется, – это не взятая глобально последовательность, а вот что: если начало последовательности выписано, то нужно найти следующее число. Возьмем пример, данный в головоломке 5: какое число следует за 50?

Есть ровно три возможности.

1. Число делится на 2. После однократного деления на 2 оно не будет иметь других делителей нуля, кроме 2, 3 и 5. Следовательно, это число – из последовательности. Так как 50 : 2 = 25, то полученное частное больше, чем 25. Наименьшее число последовательности, большее 25, есть 27. Таким образом, если следующее за 50 число делится на два, то оно равно 2 × 27 = 54.

2. Оно делится на 3. То же рассуждение. 50 : 3 = 16,7. Первое число последовательности, большее 16,7, есть 18. Если следующее за 50 число делится на 3, то это число равно 3 × 18 = 54.

3. Оно делится на 5. 50 : 5 = 10. Следующее за 10 равно 12,

5 × 12 = 60.

Таким образом, у нас 3 кандидата: 54, 54, 60. Наименьшее из этих трех и есть искомое.

Мы получили 54, используя только уже вычисленную часть последовательности Хэмминга.

Я предложил вам идею решения на примере. Вам следует ее обобщить, показать, что это всегда верно, и составить хорошую программу для решения.

Головоломка 6.

Я предлагаю вам начать с образования различных числовых последовательностей, получаемых вычеркиванием чисел. Вот первые из них:

1 : 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2 : 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

3 : 5 7 11 13 17 19 23 25 28 31 35 37 41 43 47 49

На этом уровне можно поверить, что появляется возвратное соотношение: во второй последовательности нет четных чисел, в третьей – нет кратных трем. Образуем следующую: 25, кратное 5 содержится. Покажем механизм перехода от одной последовательности к другой последовательности

3 : 5 7 11 13 17 19 23 26 29 31 35 37 41 43 47 49

5 : 7 11 13 17 23 25 29 81 87 41 43 47

Если вы все это хорошо поняли, то вы теперь должны суметь обобщить. Обозначим черев g(i, j) число, стоящее в последовательности ранга i, которая начинается с g(i, 0). Число g(i, 0) = h(i) и есть счастливое число ранга i. Если вы можете построить g(i + 1, j), исходя ив g(i, …), то вы должны суметь решить задачу. Само собою разумеется, что таблица чисел g не должна участвовать в программе. Это – только промежуточное средство вычисления…

Головоломка 7.

Нужно попытаться сгруппировать эффект нескольких последовательных шагов. Нечетное p дает (3p + 1)/2, которое можно еще переписать в виде

3(p + 1)/2 − 1,

что дает правило: добавить 1,

разделить на 2 и умножить на 3,

уменьшить на 1.

Предположим, что результат нечетен. За операцией «уменьшить на 1» сраву же следует операция «добавить 1», и в результате этих двух операций ничто не меняется. Отсюда следует новое правило:

добавить 1,

пока результат четен, делить его на 2 и умножать его на 3,

уменьшить на 1,

делить на 2, пока это возможно.

Составьте по этому правилу программу и заставьте ее перечислять все величины, полученные таким образом (все они будут нечетны. Заметьте, что только первое число в ряду может оказаться кратным трем).

Если вы замените 3 на m, то второе правило изменяется: пока результат четен, делить его на 2 и умножать его на m.

Вернемся к случаю числа 3. Наше правило можно переписать следующим образом: пусть k – некоторое нечетное число; тогда 2^pk − 1 дает (3^pk − 1)/2^q.

Назовем эту операцию переходом p, q.

Можете ли вы показать, что:

если n = 2 по модулю 3, то элемент, следующий за n, равен некоторому элементу, следующему за (2n − 1)/3;

если n дает некоторое n при переходе p, q, где q > 1, то число (n − 1)/2 порождает ту же последовательность, что и n, за исключением, быть может, нескольких первых членов.

Любое число вида n = 4k + 1 имеет непосредственно следующее n' < n.

Для того чтобы n допускало переход p, 1, необходимо и достаточно, чтобы n имело вид n = k2^p − 1, где

k = 1 по модулю 4, если p нечетно,

k = 3 по модулю 4, если p четно.

Если вы хотите проверить о помощью программы, что это свойство выполняется для любого нечетного n в данном интервале от 3 до n, вы можете пробежать все нечетные числа в возрастающем порядке и проверить, что для каждого ив них это верно. Но вы можете сначала вычеркнуть из списка все нечетные числа, о которых вы знаете, что их поведение сводится к поведению последовательности, относящейся к меньшему нечетному числу, поскольку список нечетных чисел пробегается в возрастающем порядке, и этот случай уже был неучен. Таким образом, остается не больше чисел, чем уже было отмечено.

Но построить список априори, без вычеркиваний в более широком списке, так же трудно, как построить последовательность счастливых чисел…

Затем можно пытаться сделать еще один шаг: для любого не вычеркнутого n вычислить первый следующий за ним элемент. Он больше n (в противном случае n был бы вычеркнут). Если он содержится в интервале от 3 до N, то мы ничего не делаем (этот случай будет изучен ниже). Если же он больше N, то мы помещаем его в резерв. Таким образом, мы получим некоторый список чисел, больших N. Если для каждого числа из этого списка возвратная последовательность достигает 1, то мы сможем доказать, что это свойство выполняется для всех чисел, меньших N, и еще для некоторых других.

Конечно, это не доказывает общей теоремы: для любого n предложенная последовательность достигает 1. Но нужно присоединить к делу новую форму рассуждения, которая потребует серьезных размышлений и надежных логических оснований для того, чтобы оказалось возможным поправить дело…

Вот, наконец, последнее свойство, которое вы должны уметь доказывать: не существует пар p, q, где p и q – натуральные числа, для которых n дает n при переходе p, q. Это не означает, что не существует периодических последовательностей. Про них я сумел доказать только тот факт, что не может иметь места цикл

n дает n' при переходе p, q;

n' дает n при переходе p', q'.

Как бы то ни было, этого на сей раз недостаточно.

Но это полезно, чтобы увидеть, каким образом 3 играет существенную роль в этом деле…