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非构造性证明

时间:2022-02-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:我们虽然证明了存在两个无理数a和b,使得ab是有理数,但我们却无法给出一组a和b的具体值来。让我们来看一个更加典型的非构造性证明吧。考虑集合X 上的一个集族,集族中的所有集合大小均为d。一个极其简单的证明给出了一个下界:集族的大小一定大于2d-1。为了证明这一点,我们对X 中的所有元素进行随机着色,每个元素被染成红色和蓝色的概率均等。这就是非构造性证明的神奇之处。这时,就该轮到非构造性证明出场了。

一个无理数的无理数次方有可能是一个有理数吗?

答案是肯定的。考虑figure_0529_0518,如果它是一个有理数,问题就已经解决了。如果它不是一个有理数,那么figure_0529_0519就是一个有理数。无论如何,我们都能找到一个无理数的无理数次方是有理数的例子。

这是非构造性证明的一个经典例子。我们虽然证明了存在两个无理数a和b,使得ab是有理数,但我们却无法给出一组a和b的具体值来。毕竟我们也不知道,事实究竟是上述推理中的哪一种情况。

让我们来看一个更加典型的非构造性证明吧。我们把某个集合X 的若干子集所组成的集合叫做X 上的一个集族。考虑集合X 上的一个集族,集族中的所有集合大小均为d。如果我们对X 中的元素进行适当的红蓝二着色之后,每个集合里面都含有两种不同颜色的元素,我们就说这个集族是可以二染色的。例如,当d=3时,{1,2,3}、{1,2,4}、{1,3,4}、{2,3,5}就是可二染色的,把1、2染成红色,把3、4、5染成蓝色,则每个集合里都含有两种颜色。是否存在d=3时的不可二染色集族呢?当然存在。注意到,不管怎么对集合{1,2,3,4,5}中的元素进行二染色,我们总能找出三个颜色相同的元素,因此取集合{1,2,3,4,5}的全部(figure_0529_0520个)元素个数为3的子集,总会有一个子集里面全是一种颜色。上述推理立即告诉我们,对于一个给定的d,一定存在一个集合个数为figure_0529_0521的不可二染色集族。这个数目还能再少吗?我们想知道,不可二染色集族中的集合个数最少可以少到什么地步。一个极其简单的证明给出了一个下界:集族的大小一定大于2d-1。换句话说,对于任意一个集合个数不超过2d-1的集族,一定存在一个二染色方案。

为了证明这一点,我们对X 中的所有元素进行随机着色,每个元素被染成红色和蓝色的概率均等。那么,一个元素个数为d的集合中,所有元素均为同一种颜色的概率就应该是figure_0530_0522。如果集族内的集合个数只有不到2d-1个,那么即使“各个集合中是否只含一种颜色”是互相独立的事件,这些事件的并集(即至少有一个集合内只含一种颜色)的概率也不超过figure_0530_0523,何况这些事件还不是独立的,因此存在单色集合的概率必然小于1。这个概率值小于1说明什么?这说明,“至少有一个单色集合”并不是必然事件,一定有一种染色方案使得每个集合里都含两种颜色,换句话说就是该集族可以被二染色。

注意,我们用概率方法,证明了一个非概率型的事实!由此带来的另一个结果是,这是一个非构造性的证明。当d=3时,这个定理告诉我们,任意一个只含 4 个集合的集族一定能被二染色。不过,我们只知道二染色的方案是存在的,却并不能给出一个具体的方案来。我们虽然证明了二染色方案一定存在,但证明过程却不能对我们寻找具体的方案给出任何提示。这就是非构造性证明的神奇之处。

博弈论中,我们也有一些非构造性的证明。我们可以证明在某个游戏中,某位玩家有必胜的策略,但证明过程却不能告诉你,这个必胜策略究竟是什么。

记得我小学时就见过一个经典的奥数题目。两个人轮流在黑板上写一个不大于10的正整数。规定不准把已经写过的数的约数再写出来。谁最后没写的了谁就输了。显然,这个游戏是没有平局的,即使双方在每一步都使出最优策略,最终也还是有一个人会赢有一个人会输。也就是说,在这个游戏中,有一方玩家是可以必胜的。问是先写的人必胜还是后写的人必胜,必胜策略是什么?

答案很巧妙。先写者有必胜策略。他可以先写下数字6,现在就只剩下4、5、7、8、9、10可以写了。把剩下的这6个数分成三对,分别是(4,5)、(7,9)、(8,10),每一对里的两个数都不成倍数关系,且 8和 10各自的约数恰好也在同一对里。因此不管你写什么数,我就写它所在的数对里的另一个数,这样可以保证我总有写的。

这个问题有一个很自然的扩展:规则不变,可以写的数扩展到所有不大于n的正整数。对于哪些n先写者必胜?证明你的结论。

其实,不管n是多少,先写者总有必胜策略。这时,就该轮到非构造性证明出场了。考虑一个新的规则“不准写数字1”。如果加上这个新规则后先写者有必胜策略,那么这个策略对于原游戏同样适用(因为1是所有数的约数,在先写者写完第一个数后,1本来就不能写了);如果在新规则下后写者必胜,则原游戏中的先写者一开始就把数字1写在黑板上,然后他就变成了新规则下的后写者。于是不管怎么样,先写者总是有必胜策略。

这种博弈游戏的分析技巧叫做“策略偷换”(strategy-stealing)。它的另一个经典例子是 Chomp 游戏。游戏在一块矩形的巧克力上进行,巧克力被分为M×N块。两人轮流选择其中一个格子,然后吃掉这一格及它右边、下边和右下角的所有格子。最左上角的那一块巧克力有毒,谁吃到谁就输了。图1是一个可能的对战过程。我们可以用类似的方法证明先手必胜。假设后手有必胜策略,那么先手把最右下角的那一块取走。注意到接下来对方不管走哪一步,最右下角的那一块本来也会被取走,因此整个棋局并无变化,只是现在的先手扮演了后手的角色,可以用后手的那个必胜策略来应对棋局,这样便巧妙地“偷”走了后手的必胜策略。

图1

对于一些可能出现平局的游戏,我们也可以用类似的方法证明后手不可能有必胜策略。比如对于五子棋游戏(假设棋盘大小有限,并且没有禁手等规则),假设后手有必胜策略,那先手就随便走一步,以后就装成是后手来应对。如果在哪一步需要先手在已经下过子的地方落子,他就再随便走一步就是了。这样一来,先手便偷走了后手的必胜策略了,反而成了必胜的一方。这就说明,后手是不可能有必胜策略的。这种证明方法成立的前提就是,多走一步肯定不是坏事。事实上,对于所有这种“多走一步肯定不是坏事”的且信息透明决策对称的游戏,我们都可以证明后手是没有必胜策略的。既然后手没法必胜,那么我们立即可知:先手是一定有不败策略的。

不过,再次回到本节最开始的话题:我们虽然证明了谁有必胜策略或者谁有不败策略,但我们完全不知道具体的策略是什么!

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