Het Wythoff spel

Het Wythoff-spel is een dat gespeeld wordt door twee speler en met twee stapels fiches. Een speler mag bij elke beurt:

    1. een willekeurig aantal stenen van één stapel nemen, of

    2. een gelijk aantal stenen van beide stapels nemen.

De speler die de laatste fiche(s) neemt, de winnaar is. Het spel is in 1907 beschreven door de Nederlandse wiskundige Willem Abraham Wythoff. 

De verliezende (of V-posities) zijn de posities waarvan de speler die aan de beurt is niet kan winnen als de tegenstander perfect speelt. Alle andere posities zijn winnende (W-posities), want de speler kan naar een P-positie bewegen.

Een V-positie  is een stand waarvan de speler die aan de beurt is altijd verliest als de tegenstander perfect speelt.Vanuit een V-positie mag je dus niet naar een andere V-positie kunnen zetten. Vanuit elke andere positie (W-positie) moet er minstens één zet zijn die naar een V-positie leidt.

Schrijf je huidige positie als met . We beginnen vanaf (triviaal: het spel is voorbij, dat is een V-positie). Daarna kunnen we systematisch de volgende V-posities construeren;

(1,2) is een V-positie ( en dus ook (2,1)), dus de speler die aan zet is in (1,2) verliest als de tegenstander perfect speelt. Met andere woorden: als jouw tegenstander een zet doet en jou achterlaat met (1,2), dan kun jij niet winnen (mits de tegenstander vanaf dat moment foutloos speelt).

Waarom? Kijk naar álle mogelijke zetten vanuit (1,2):

  • Neem uit stapel 1: 1 steen → (0,2).
    Dan kan de volgende speler meteen alle 2 stenen uit stapel 2 nemen → (0,0) en wint.

  • Neem uit stapel 2: 1 steen → (1,1).
    Dan kan de volgende speler 1 van beide stapels nemen → (0,0) en wint.

  • Neem uit stapel 2: 2 stenen → (1,0).
    Dan neemt de volgende speler 1 uit stapel 1 → (0,0) en wint.

  • Neem gelijk uit beide stapels: 1 van elk → (0,1).
    Dan neemt de volgende speler 1 uit stapel 2 → (0,0) en wint.

In álle gevallen kan de tegenstander direct naar spelen en daarmee winnen. Dus vanuit (1,2) bestaat geen zet naar een andere V-positie — dat is precies wat een V-positie is.

De andere verliezende posities (a_k,b_k) zijn (3,5), (4,7), (6,10), (8,13), (9,15), … In onderstaande tekening zijn de verliesposities aangegeven door een P en de winstposities met een N.

Stel dat je start met een verdeling van (5,6) munten en je bent eerst aan zet. Zorg ervoor dat je de dichtbij zijnde verliespositie, met getallen kleiner of gelijk aan 5 en 6,  neemt door 3 munten van de tweede hoop te nemen. De tegenstrever ontvangt de verliespositie (5,3) en kan geen kant meer uit. Jij wint! Beter was nog om van elke hoop 4 munten te nemen om zo uit te komen op de verliespositie (1,2).

Nog een luciferspel

Een willekeurig aantal lucifers is op willekeurige wijze verdeeld over twee stapels. Twee spelers nemen om de beurt lucifers weg: ofwel van één van de hopen 1,2,of 3 lucifers ofwel van beide hopen een zelfde aantal lucifers en dan ook 1,2 of 3. De speler die de laatste lucifer(s) wegneemt, wint.

We zoeken naar gunstige situaties. Met (a,b) noteren we de situatie waarbij er a lucifers op één hoop liggen en b lucifers op de andere stapel. De situaties (a,b) en (b,a) zijn identiek.

  • Met 1 lucifer hebben we enkel de situatie (1,0) en die is natuurlijk ongunstig want de tegenstrever kan gewoon die lucifer wegnemen en wint alzo het spel.
  • Met twee lucifers heb je (2,0), en (1,1) en beiden zijn ongunstig .
  • Met 3 lucifers heb je (3,0) en (2,1). De eerste situatie is zeker ongunstig maar (1,2) of (2,1) is wel degelijk gunstig, want wat de tegenstrever ook doet, hij komt terecht in een ongunstige toestand.
  • De situaties (2,2)  en (3,1) zijn ongunstig. Bij de eerste situatie kan de tegenstrever gewoon alles wegnemen en in het tweede geval kan hij door 1 lucifer weg te nemen terechtkomen in de winnende positie (2,1). Verder  is (4,0) uiteraard gunstig.

De situaties (4k,4l) en (4k+1,4l+2) zijn altijd gunstig. De winnende strategie bestaat erin elke gegeven spelsituatie om te zetten in een gunstige situatie. In sommige spelsituaties heb je de keuze  tussen twee of zelfs drie goede zetten. Zo kan je bijvoorbeeld (8,9) omzetten in de winnende situaties (8,8) en (6,9) door respectievelijk 1 lucifer weg te nemen van de stapel met 9 lucifers ofwel door er 2 weg te nemen van de andere stapel. Kies dan nu eens de ene en dan weer de andere voortzetting om de spelstrategie minder transparant te maken voor de tegenstrever. Als de winnende spelstrategie niet kan worden uitgevoerd, bestaat de optimale strategie erin 1 lucifer weg te nemen van de hoop met het meest aantal lucifers.

De Nederlandse wiskundige W.A. Wythoff  (6 oktober 1865 – 21 mei 1939) publiceerde in 1904 een analyse van dit spel.

Lucifers rapen

Men legt drie hopen  voorwerpen op tafel. Er zijn twee spelers. Iedere speler moet om de beurt in één hoop ten minste 1 en ten hoogste alle voorwerpen wegnemen. Wie het laatste voorwerp opraapt wint. Bestaat er een mogelijke winststrategie?

Antwoord

  1. We gaan op zoek naar winstposities. Nu  zijn (0,0,0) en (1,1,0)  duidelijk winstposities. De combinaties (1,1,1) en (2,1,0) zijn verliessituaties, want de tegenstrever kan door 1 voorwerp weg te nemen steeds in een winstsituatie komen.
  2. Het idee groeit dat een binaire notatie ons kan helpen.  Vanaf nu wordt alles dus binair genoteerd!
  3. Dus (10,1,0) , maar ook (10,1,1) zijn verliessituaties. Maar (10,10,0) en is een winstsituatie, want als de tegenstrever de hele eerst hoop weghaalt, doe jij dat met de tweede hoop en win je dus. Neemt de andere speler slechts 1 voorwerp weg van de eerste hoop, doe jij dat ook bij de tweede hoop en kom je terecht bij (1,1,0) en dat is een winstsituatie.
  4. We vermoeden dat het totaal aantal enen op elke positie steeds even moet zijn voor een winstsituatie. Bij (10,10,0) heb je 0 enen op de laatste positie en 2 enen op de eerste positie. Dus dat zal een winstsituatie zijn.
  5. De speler die het eerst ervoor kan zorgen dat het totaal aantal enen op elke positie even is, zal ( als hij of zij maximaal speelt) steeds winnen. immers: als het aantal enen op elke positie even is, dan zal bij het wegnemen van een aantal voorwerpen, ten minste één cijfer 1 in een nul veranderen en dus zal de pariteit van die positie veranderen, zodat niet op elke positie het totaal aantal enen nog even is. Als omgekeerd bij bepaalde posities het aantal enen oneven is kan je steeds ervoor zorgen dat door het wegnemen van een aantal voorwerpen de pariteit op elke positie terug even is.

Het spel (of varianten daarvan) werd vermoedelijk al duizenden jaren gespeeld in het Verre Oosten. Het werd onder de naam Nim voor het eerst beschreven in 1901 door C. L. Bouton van de Harvard-universiteit, die ook de volledige theorie van het spel ontwikkelde. De naam komt wellicht van het Duitse woord nimm! hetgeen “neem!” betekent.

Het spel kan uiteraard, met dezelfde strategie, ook gespeeld worden met meer dan drie hopen.