В наши дни редко кому удается придумать математическую игру, которая была бы одновременно и новой и интересной. Именно такой оригинальной и увлекательной является игра в гекс, впервые появившаяся в пятидесятые годы в Институте теоретической физики Нильса Бора в Копенгагене. Гекс вполне может стать одной из наиболее популярных и наиболее полно исследованных математических игр нашего века.

В гекс играют на доске, имеющей форму ромба, составленного из шестиугольников (рис. 33).

 

Рис. 33 Игра в гекс на доске со стороной из 11 шестиугольников. Черные выиграли.

Число шестиугольников может быть разным, но обычно предпочитают играть на доске, вдоль стороны которой укладывается одиннадцать шестиугольников. Две противоположные стороны ромба называются «черными», две другие — «белыми». Шестиугольники, находящиеся в углах ромба, относятся к обеим сторонам. Один игрок играет черными фишками, второй — белыми. Играющие по очереди ставят фишку на любой шестиугольник, еще не занятый другой фишкой. Цель «черных» состоит в том, чтобы построить цепь из черных фишек между двумя «черными» сторонами. «Белые» стремятся построить цепь из белых фишек между «белыми» сторонами.

Цепь может как угодно изгибаться, поворачивать. Фишки ставят до тех пор, пока кто-нибудь из игроков не выстроит свою цепь.

На рис. 33, например, видно, как победили «черные».

Игра никогда не кончается вничью, потому что один из участников может запереть другого, только построив свою цепь. Хотя правила гекса очень просты, тем не менее он оказывается удивительно тонкой математической игрой.

Придумал гекс датчанин Пит Хейн. В молодости Хейн провел несколько лет в Институте теоретической физики, а затем, сделав несколько технических изобретений, стал работать в промышленности. Так продолжалось до 1940 года, до вторжения немцев в Данию. Во время оккупации Хейн дважды уходил в подполье — он был председателем антинацистского демократического союза, распущенного с приходом нацистов. Именно во время оккупации он начал писать свои знаменитые эпиграммы под псевдонимом Кумбель.

[Три выпуска этих эпиграмм (Хейн назвал их «груками») изданы на английском языке под истинной фамилией автора: Нет Р. Grouks. I, II, III. — Copenhagen: 1966–1970. Некоторые эпиграммы Хейна были напечатаны на страницах журнала «Наука и жизнь» на русском языке. Вот одна из них, которая могла бы послужить эпиграфом к этой книге:

Они печатались в датской газете «Политикен», для которой Хейн одно время писал очерки и стихи, подписываясь своим настоящим именем. В одной только Дании, где население немногим больше четырех миллионов, было продано около четверти миллиона экземпляров сборника его стихов.

Идея игры в гекс пришла Хейну в голову, когда он размышлял над знаменитой топологической проблемой четырех красок. Эта проблема до сих пор не решена. Формулируется она следующим образом. Требуется доказать или опровергнуть утверждение: «Всякую карту можно раскрасить четырьмя красками так, что никакие две области, имеющие один и тот же цвет, не будут иметь общей границы». Хейн рассказал о придуманной им игре во время лекции.

Это было в 1942 году. Вскоре правила игры были опубликованы в газете «Политикен» и гекс стал необычайно популярен в Дании под названием «Многоугольники». Появились в продаже блокноты для игры с заранее напечатанными изображениями досок. «Политикен» из месяца в месяц публиковала задачи и премировала лучшие решения. Игра получила свое нынешнее название гекс лишь в 1952 году, после того как была выпущена фирмой «Паркер».

В 1948 году Джон Нэш, в то время аспирант-математик Принстонского университета, а позже один из самых выдающихся специалистов по теории игр в США, изобрел ту же игру независимо от Хейна. Она быстро увлекла математиков в Принстоне и в Институте высших исследований. Игра обычно называлась «Нэш» или «Ванная». Последнее название в основном было обязано тому, что студенты часто играли на шестиугольных плитках в ванных комнатах.

Читателям, которым захочется поиграть в гекс, следует заранее заготовить листки с начерченными на них досками. Ходы можно отмечать крестиками и кружками. Если вам больше нравится передвигать фишки на «настоящей» доске, можно нарисовать большую доску на листе толстого картона или сложить ее из шестиугольных керамических плиток. Если плитки достаточно большие, то играть можно обычными шашками.

Чтобы понять все тонкости игры в гекс, лучше воспользоваться игровым полем, состоящим из небольшого числа шестиугольников.

На доске 2x2 (четыре шестиугольника) всегда выигрывает тот, кто делает первый ход. На доске 3x3 легко выиграть, если первый ход сделать в центр доски (рис. 34).

 

Рис. 34

«Черные» могут пойти двумя разными способами, заняв любой из двух шестиугольников, расположенных по обе стороны от центра, и поэтому на третьем ходу обязательно выигрывают.

На доске 4x4 все гораздо сложнее. Начинающий игру выигрывает наверняка лишь в том случае, если он сразу же занимает одну из четырех пронумерованных клеток (рис. 35).

 

Рис. 35

Сделав первый ход на любую другую клетку, он непременно проиграет. Начав игру с клеток 2 или 3, первый игрок одержит победу на пятом ходу; начав с клеток 1 или 4 — на шестом.

Для доски 5x5 еще можно доказать, что если первый игрок сразу же занимает центральную клетку, то он может выиграть на седьмом ходу. Для досок большего размера анализ становится слишком сложным. Стандартная доска 11 х 11 таит в себе астрономическое число усложнений, и полный анализ игры в гекс на такой доске находится за пределами человеческих возможностей.

Специалисты по теории игр считают гекс особенно интересной игрой по следующей причине. Для игры на стандартной доске не известно, какой тактики необходимо придерживаться, чтобы наверняка обеспечить победу. Однако доказательством от противного можно довольно изящно показать, что для первого игрока всегда существует выигрышная стратегия на доске любого размера! (Доказательство существования обычно позволяет утверждать, что некий объект существует, но не дает никаких указаний, как его найти или построить.) Мы приведем лишь очень краткий набросок доказательства (его можно провести значительно более строго) в том виде, в каком его дал в 1949 году Джон Нэш.

1. Либо первый, либо второй игрок должен выиграть, поэтому либо для первого, либо для второго должна существовать выигрышная стратегия.

2. Предположим, что для второго игрока существует выигрышная стратегия.

3. Тогда первый игрок может обороняться следующим образом.

Сделав произвольный первый ход, он действует затем в соответствии с выигрышной стратегией второго игрока, описанной выше.

Короче говоря, он становится вторым игроком, но с одной лишней фишкой, стоящей где-то на доске. Если, следуя стратегии, он должен будет пойти на ту клетку, которую занял первым ходом, он делает еще один произвольный ход. Если впоследствии игрок должен будет пойти на клетку, которую занял вторым произвольным ходом, он делает третий произвольный ход и т. д. Выбирая так ходы, он играет наилучшим образом, имея на доске одну лишнюю фишку.

4. Лишняя фишка не может затруднить выигрыш первого игрока, потому что лишняя фишка — это всегда преимущество, а не помеха. Таким образом, первый игрок может выиграть.

5. Предположение о существовании выигрышной стратегии для второго игрока приводит к противоречию, и потому его нужно отбросить.

6. Следовательно, выигрышная стратегия может существовать лишь для первого игрока.

Известно много разновидностей игры в гекс, в одной из них каждый играющий пытается заставить противника построить цепь. В соответствии с остроумным доказательством Р. Виндера, аспиранта-математика из Принстона, первый игрок в этой игре всегда может победить, если число клеток на стороне доски четное.

Второй игрок может победить в тех случаях, когда число клеток, прилегающих к стороне, нечетное.

Поиграв немного в гекс, читателю, может быть, захочется поломать голову над тремя задачами, возникающими в процессе игры.

Они изображены на рис. 36.

 

Рис. 36 Три задачи из игры в гекс.

Вопрос для всех трех задач один и тот же: найти такой первый ход, который обеспечивает «белым» победу.

* * *

В гекс можно играть на самых разных досках, топологически эквивалентных полю, составленному из шестиугольников. В качестве игрового поля можно, например, использовать доску, состоящую из равносторонних треугольников; фишки здесь ставятся в точки пересечения границ между клетками. Обычная шахматная доска изоморфна игровому полю гекса, если предположить, что квадраты связаны по диагонали только в одном направлении (например, в направлении с северо-востока на юго-запад, но не в направлении с северо-запада на юго-восток).

Предлагались и другие, неромбические формы доски для гекса.

Например, создатель теории информации. К. Шеннон предложил игровое поле в форме равностороннего треугольника. Выигрывает тот, кто первым построит цепь, соединяющую все три стороны треугольника. Угловые клетки считаются принадлежащими обеим сторонам угла. Нэш доказал, что побеждает первый игрок. Метод доказательства без труда переносится и на случай треугольного игрового поля. (Здесь также выигрывает тот, кто начинает.)

Несколько предложений было внесено с целью уменьшить слишком сильное преимущество первого игрока. Так, первого игрока можно лишить права начинать с короткой диагонали. Решая, кому принадлежит победа, можно учитывать сделанное выигравшим число ходов. Открывая игру, первому игроку разрешается делать лишь один ход, после чего каждый из игроков по очереди делает по два хода за один раз.

Напрашивается предположение, что если на доске размером n х (n + 1) — например 10 х 11 — начинающий игру берет себе более удаленные друг от друга стороны, то относительные преимущества игроков должны уравниваться. К сожалению, обнаружилась очень простая стратегия, с помощью которой второй игрок наверняка одерживает победу. Эта стратегия основана на зеркальной симметрии относительно центральной оси. Если второй игрок — это вы, то представьте себе, что все клетки разбиты на пары так, как показано на рис. 37.

 

Рис. 37 Как должен расставить свои фишки второй игрок на «укороченной» доске, чтобы выиграть партию в гекс.

Куда бы ни сделал ход противник, вы делаете ход на вторую клетку, обозначенную той же буквой, что и занятая им клетка. Поскольку расстояние между вашими сторонами меньше, ваш проигрыш невозможен!

Несколько слов об общей стратегии игры в гекс. По сообщениям многих читателей, они были разочарованы, обнаружив, что первый игрок очень легко одерживает победу, если занимает центральную клетку и продолжает от нее строить цепь до краев доски. Эти читатели полагают, что запереть первого игрока невозможно, поскольку он всегда может сделать ход, присоединив к своей цепочке одну из двух клеток. Сторонники подобной точки зрения просто не обладают достаточным опытом игры в гекс, иначе бы они обнаружили, что для того, чтобы запереть противника, совсем не обязательно занимать клетки, примыкающие к концам цепи. Игра в гекс намного хитрее, чем кажется с первого взгляда. Блокирование цепи часто происходит внезапно, в результате действий, не имеющих, казалось бы, к этому ни малейшего отношения.

Более изощренная стратегия основана на следующем методе.

Сделайте первый ход в центр, а затем постарайтесь занять отдельные клетки по диагонали или по вертикали так, как это сделано на рис. 38.

 

Рис. 38

Если ваш противник помешает вам достроить вертикаль, вы придете по диагонали. Если он попытается помешать вам достроить диагональ, вы сделаете ход, заняв клетку на вертикали.

Как только вам удастся соединить стороны вашего цвета «прореженной» цепочкой, запереть вас уже невозможно, а отсутствующие звенья цепи вы сможете восстановить, потратив на каждое из них по два хода. Такая стратегия очень эффективна при игре против новичка, но опытный игрок сможет парировать ее.

Совсем иной принцип положен в основу стратегии машины для игры в гекс, сконструированной К. Шенноном и Э. Ф. Муром. Вот описание этого устройства..^[15]

После исследования игры мы пришли к заключению, что достаточно разумный ход можно было бы находить следующим образом: создать двумерное потенциальное поле, соответствующее игральной доске, белые фишки заменить положительными зарядами, черные фишки — отрицательными. Верх и низ «доски» должны нести отрицательный заряд, а ее правая и левая стороны — положительный. Очередному ходу соответствует некоторая вполне определенная седловая точка поля.

Для проверки наших предположений было построено аналоговое устройство, состоящее из сети сопротивлений и щупа для обнаружения седловой точки. Если не считать небольших усовершенствований, подсказанных практикой, общий принцип оказался вполне пригодным. Если машина делала первый ход, то, играя с людьми, она выигрывала около 70 % всех партий.

Нередко ей случалось озадачивать своих создателей странными на первый взгляд ходами, но при более подробном рассмотрении эти ходы неизменно оказывались вполне разумными. Принято считать, что вычислительные машины прекрасно справляются с длинными вычислениями, но малопригодны для решения более сложных, логических задач. Как ни парадоксально, но построенная нами машина вполне разумно оценивала позицию в игре.

Хуже всего она играла в конце партии, когда игра приобретала комбинационный характер. Любопытно заметить также, что машина для игры в гекс заменила обычную вычислительную процедуру на обратную, решив существенно дискретную проблему с помощью аналогового устройства.

Желая подшутить над специалистами по теории игр, знающими о существенных преимуществах первого игрока, Шеннон построил еще одну машину для игры в гекс, которая, к немалому удивлению знатоков, выигрывала даже в тех случаях, когда делала второй ход.

Доска, на которой играла эта машина, в одном направлении была короче, чем в другом (размеры доски 7x8 клеток), но Шеннон, установив ее на прямоугольной подставке, замаскировал неравенство сторон. Лишь немногие из игроков, заподозрив неладное, догадывались пересчитать клетки вдоль сторон доски. Машина играла в соответствии с выигрышной стратегией, описанной выше. Ответные ходы она могла бы делать мгновенно, но специально предусмотренные термисторы замедляли ее «реакцию». Перед каждым ходом машина «размышляла» от одной до десяти секунд, создавая у зрителей впечатление, будто она проделывает сложнейший анализ положения на доске.

Ответы

Решения трех задач, возникающих при игре в гекс (см. рис. 36), показаны на рис. 39.

 

Рис. 39

Полный анализ всех ходов, возможных в этих задачах, оказывается слишком длинным, чтобы его здесь приводить: крестиками отмечены лишь первые правильные ходы «белых».