Super Mario之量子物理学版?

    Kaizo Super Mario本来是一个号称世界上最变态的Super Mario的ROM hack,有几段看上去非常折磨人的游戏视频在互联网上流传很广。当然,网上也有类似于XX秒快速通关之类的动画,但那看上去就太假了,显然是用SL大法搞出来的,体现不出这个hack的变态程度。有牛人突然想到,为什么不把两者结合起来,让视频同时展示出所有的尝试(就像科幻小说《一日囚》的“时间叠加”,或者电影The Next的“2分钟预见”),既能反映其变态程度,看上去又没那么折磨人。于是就有了下面这段另类的动画。动画做完后,此牛人突然恍然大悟:这不就是量子物理学中不确定性原理的一个绝佳的演示么?你可以在上面那个链接里读到一大篇与“多世界解释”(Many-Worlds Interpretation)有关的理论。

  

视频链接:http://www.vimeo.com/676234
消息来源:http://jandan.net/2008/03/16/quantum-super-mario.html

三路国际象棋:非常有创意的棋类游戏

    

    想必这里应该有网友喜欢玩国际象棋吧,它非常考验人的思维能力。但是你玩过三个人同时下的国际象棋吗?最近,一种叫做三路国际象棋(3-Way Chess)的游戏渐渐流行起来。上图就是一个三路国际象棋的棋盘(操,怎么排版都不好看),非常形象地说明了游戏的玩法。游戏的三方轮流走棋,走棋的规则与传统国际象棋完全一样。第一个将死对手(不管是谁)的人获胜。注意到这个棋盘与原来一样,每个格子都只与上下左右四个格子相邻,因此横竖四个方向和对角线四个方向都很容易确定下来(对角线就是邻格的邻格)。唯一需要注意的是,在棋盘中心处的格子可能有多个对角线方向,比如下图中的皇后一共有9个方向可以走。

      

    想像中这样的国际象棋应该很好玩吧。这个游戏有趣就有趣在:如果某两个人看第三个人看不顺眼,他俩可以合作起来整第三个人。而更有趣的就是,他俩互相之间还要争着先去把第三个人将死。

消息来源:http://digg.com/arts_culture/3_Way_Chess
查看更多:http://meignorant.com/3-way_chess

趣题:猜帽子游戏与Hamming编码

    三个人坐成一个圆圈,每个人头上戴着一顶黑色的或者白色的帽子。每个人都只能看到另外两个人头上的帽子颜色。现在,他们需要独立地猜测自己头上的帽子颜色。每个人都需要在自己的小纸条上写下“黑色”、“白色”或者“放弃”。如果说至少一个人猜对,并且没有人猜错,那他们就获胜了;只要有任何一个人猜错,或者所有人都写的“放弃”,那么他们就输了。如果在游戏开始前他们能够商量一个策略,那么最好的策略是什么?
    仔细想一下你会发现,要想保证他们百分之百地获胜是不可能的,因为游戏中大家不能交流信息,谁也不能保证自己能猜对。但是,有一种策略能保证他们有75%的几率获胜。事实上,当人数n=2^k-1时,我们有一种方法可以让获胜的概率达到(2^k-1)/(2^k)。你能想到这种策略吗?

    设身处地地想,你会想到一个很自然的策略:如果一个人看到另外两个人的帽子颜色一黑一白,那这个人就放弃(换了你你也不敢猜);如果另外两个人的帽子颜色一样,那你就猜相反的颜色(概率上看也要大些)。我们来看一下在哪些情况下使用这样的策略能够获胜:

3个黑帽子:每个人都看到两个黑帽子,每个人都猜自己是白帽子,所有人都猜错;
2个黑帽子,1个白帽子:戴黑帽子的人看到一黑一白,于是放弃;戴白帽子的人看的是两个黑帽子,因此他将猜对,从而所有人都获胜;
2个白帽子,1个黑帽子:和上面这种情况是类似的,所有人都将获胜;
3个白帽子:和第一种情况是类似的,所有人都猜错。

    注意到只有在第一种情况和第四种情况下才会输掉游戏,这两种情况占了所有情况的2/8。于是,使用这种策略有75%的概率获胜。

    我们需要想一想,在这个看似几乎不可能获胜的游戏中,为什么这种策略会有如此高的获胜概率。最关键的就是,这种策略充分利用了胜负判断的准则:大家要错就一起错,只有一个人错怪划不来的;要获胜就只让一个人猜对,多几个人同时猜对也没用。

    根据上面的讨论,我们开始尝试把游戏的人数推广到一般的n。为了叙述方便,我们把每个人头顶上的帽子颜色依次用0和1来表示,数字1表示黑帽子,数字0表示白帽子。于是所有可能的情况就是2^n个01串。游戏开始前n个人预先约定一些“保留串”。他们的策略就是,观察其余n-1个人的帽子颜色:如果和所有的保留串都不匹配里,则放弃;如果恰好符合某个保留串,就猜自己是相反的颜色。比如,当n=3时,他们可以约定两个保留串000和111。如果实际情况是001的话,前两个人看到的是?01和0?1,不属于任何一个保留串,于是放弃;第三个人看到的是00?,正好和000相符,于是他就反过来猜自己不是那个0。注意到一些有趣的事实:如果实际情况恰好就是这些保留串之一,那大家就全猜错了;如果实际情况与所有保留串都相差两个数字以上,那大家全部放弃;如果实际情况与某个保留串恰好差一个数字,那只有一个人猜对,其余人放弃,从而获得胜利。现在的问题就是,如何寻找一个保留串集合,使得和某个保留串只差一个数字的情况尽可能的多。注意,我们必须要保证,任意两个保留串之间不能只差一个数字,这样的话才能保证发现有相符保留串的人不会面临“两可”的情况。假如你找到了t个保留串,则保证获胜的情况最多有t*n个(每个串“变一位”都有n种方法)。显然,最完美的情况就是t+t*n恰好等于总的情况数2^n。当n=2^k-1时,t+t*n是有可能恰好等于总情况数2^n的,也就是说每种可能的情况要么就是一个保留串,要么与唯一的一个保留串恰好差一位。此时,t+t*n=t(n+1)=t*(2^k)=2^(2^k-1),t应该等于2^(2^k-1-k)。下面我们说明这t个保留串是如何生成的。
    每个保留串都由原码和校验码两部分组成。我们把n位01串的位置编号转化为二进制,二进制里只有一个数字1的位置(即左起第1,2,4,8,…位)叫做校验码,有至少两个1的位置(3,5,6,7,9,…等其余位置)上的数字称作原码。显然,原码应该有n-k位(即2^k-1-k位)。枚举2^(n-k)种原码的01组合,对于每一组原码,定义第i个校验码的值为,除了它本身以外,所有编号的二进制表达中右起第i个数字为“1”的位置上一共有奇数个1还是偶数个1(相当于把标“x”的位置上的数异或一遍)。比如,第2个校验码是1,当且仅当有奇数个位置上的原码满足,位置编号的二进制表达形如…???1?且该位置上的数值正好也是1。所有可能的原码加上它对应校验码就是我们的保留串。

  01串:     a1  a2  a3  a4  a5  a6  a7
十进制编号:  1   2   3   4   5   6   7

二进制编号: 001 010 011 100 101 110 111
校验码1(a1):         x       x       x
校验码2(a2):         x           x   x
校验码3(a4):                 x   x   x
保留串0:     0   0   0   0   0   0   0
保留串1:     1   1   0   1   0   0   1
保留串2:     0   1   0   1   0   1   0
保留串3:     1   0   0   0   0   1   1
保留串4:     1   0   0   1   1   0   0
   ……      ……     ……        
保留串14:    0   0   1   0   1   1   0
保留串15:    1   1   1   1   1   1   1

    我们可以说明,对于任一个n位01串,只要它不是我们的保留串,我都有办法只变动一个数字让原码和校验码相符(从而变成一个保留串)。我们可以观察一下,由原码算出来的校验码和实际的校验码有哪些不同。如果只有一位校验码不同,直接把它改过来就是了;如果有多位校验码不同,那就找出改动哪一位原码可以让这些校验码同时取反。从位置编号的二进制的角度来考虑,这样的一位原码显然是唯一存在的。同时,我们可以保证任两个

Atropos:仍然具有可玩性的状态共用型组合游戏

  
    有这样的一类组合游戏,对于任一个游戏局面,游戏双方的合法决策都完全一样,游戏对战双方的唯一区别就是看谁先走。这样的游戏叫做Impartial Games。像什么报数啊,取火柴啊,取石子啊,这些游戏都属于Impartial Games;而象棋、围棋等要分棋子颜色的游戏则不属于Impartial Games。共享状态的游戏几乎没有可玩性,因为游戏开始前我们就能知道谁赢谁输(如果双方均使用最佳策略)。棋局的任一状态只有两种,面对这个棋局的人要么必胜要么必败。考虑这样的一个递推关系:如果一个状态是必胜态,那至少有一种走法能走成一个必败态留给对方;如果一个状态是必败态,那它怎么走都只能走到必胜态。运用这样的关系,我们可以自底向上推出初始状态是必胜还是必败。
    近来有人提出一个名为Atropos的游戏,它就是一个即使计算机也很难办的Impartial Game,它能保证这个游戏仍然具有可玩性。游戏在一个Sperner三角形上进行,上图就是一个边长为7的Sperner三角形。游戏开始后,双方依次在白色的圆圈里涂上红色、绿色或者蓝色,已经涂过颜色的圆圈不能再涂色。另外,只要有可能,所涂的圆圈都必须紧挨着上次对方涂的那个圆圈。谁先涂出三种颜色都有的小三角形,谁就输掉这场游戏。

  
    注意这个游戏是不可能出现平局的。当所有白色圆圈全部涂上了颜色后,至少会出现一个红绿蓝小三角形。为了证明这一点,我们可以在所有的绿色和红色圆圈中间画一个箭头,红的在箭头右边,绿的在箭头左边。这些箭头一定组成了一条一条的路径,它们既不会交汇也不会分岔。但整个图的边界上进来的箭头有4个,出去的箭头只有3个,于是至少有一条路径在里面走死了,也即迎面碰上了蓝色的圆圈。这样,我们就找到了一个红绿蓝三色都有的小三角形。

    这个游戏虽然属于Impartial Games,但它仍然具有可玩性。从直觉上看,这个游戏中的先手后手几乎没有区别,谁也不占优势。这篇论文则严格证明了,判断Atropos游戏的最佳策略属于PSPACE-complete,这是所有使用多项式空间的问题中最难的一类,所有使用多项式空间的问题都可以(在多项式的时间内)约化到它。这说明,Atropos游戏没有什么很显然的“决窍”,即使利用计算机也很难确定最优决策。

在线游戏:http://cs-people.bu.edu/paithan/spernerGame/SpernerGame.html (Java Applet)
查看更多:http://cs-people.bu.edu/paithan/spernerGame/

趣味小程序Jenn3D:带你进入神奇的超球面空间

  

官方网站:http://www.math.cmu.edu/~fho/jenn/
Windows版下载:http://www.math.cmu.edu/~fho/jenn/jenn3d_win_2008_01_15.zip

   想知道各种几何模型在超球面(四维球的球面)上的样子吗?这个程序可以把各种几何体映射到超球面上,然后用三维的方式展示出来。你会发现几何体的棱和面都是弯的,这是因为这些几何体是在四维球面中的。就像三维球表面上的赤道和两根经线组成的“三角形”一样,每条边都是弯的。

    当然,最神奇的还是在这样的空间里下围棋!
    Windows版超球面围棋程序下载:http://www.math.cmu.edu/~fho/jenn/jenngo_win.zip
    双击左键下黑子,双击右键下白子;左键拖动旋转,右键拖动遍历第四维。
    你会发现,这个空间在边界处与自身相交。