正方形的每个角上有一个开关。你的目的是把四个开关的状态变成一样,即都是开或都是关。但你不知道开关的状态,每次你可以任选一到四个开关,改变它们的状态。(改变之后你还是不知道开关的状态。) 你选定开关后,正方形会旋转一个角度。(旋转的角度你也不知道。)你有没有必胜策略?
现在假设是一个正 n 边形, 对哪些 n 你有必胜策略? 这道题还有一种形式:目的是把四个开关都打开。我们同时对这两种形式求解。对给定n,称这两种形式的问题为U(n)和S(n)。 定理。U(n)和S(n)有解的充分必要条件是n=2^k。 www.ddhw.com 证明要分成好几步。先定义一个名词:一个解序列是1到n这n个数的一列子集,每个子集是一次选的开关。例如({1,3},{1,2},{1,3},{1},{1,3},{1,2},{1,3})就是n=4时的一个解序列。 引理1。如果U(n)有解,S(n)也有解。 证明:设A=(a1,a2,...,am)为U(n)的解序列,及b={1,2,...n}(按全部开关)。则B=(b,a1,b,a2,b,...,b,am,b}为S(n)的解序列。 引理2。如果U(n)有解,U(2n)也有解。 证明:设A=(a1,a2,...,am)为S(n)的解序列,B=(b1,b2,...bk)为U(n)的解序列。对每一个bi,令bi^2为在2n的前半和后半重复bi形成的子集:如bi={1,2,5}, n=6, 则bi^2={1,2,5,7,8,11}。令B^2=(b1^2,b2^2,...,bk^2)。我们证明(B^2,a1,B^2,a2,B^2,...,B^2,an,B^2)为U(2n)的解序列。 www.ddhw.com 首先,如果用A来解U(2n),则在解的过程中,必有一刻,这2n个开关中,所有相对的两个状态都相同。要证明这一点,考虑相对的两个状态的差。这n个差构成一个S(n)问题。用A来解U(2n)就相当于解这个S(n)问题。所以一定有一刻,这2n个开关中,所有相对的两个状态都相同。 B^2中所有的子集都是对称的。他们对上面A解U(2n)的过程没有影响。设在ai时U(2n)一经完全对称。则在ai之后的B^2就一定能使U(2n)得解。 这两个引理再加上U(4)的例子证明了定理的一半。其实连U(4)都不用,可以从U(2)得到U(4):U(2)的解为({1}),由引理1,S(2)的解为({1,2},{1},{1,2}),再由引理2,U(4)的解为({1,3},{1,2},{1,3},{1},{1,3},{1,2},{1,3})。 明天接着证另一半。
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