PS-полнота задачи Generalized geography

Формулировка задачи

Города (Geography) - игра, в которой игроки по очереди называют города со всего мира. Каждый город должен начинаться с той буквы, на которую заканчивается предыдущий, повторы запрещены. Игра начинается с любого города, и заканчивается, когда игрок проигрывает и не может назвать новый город.

Графическая модель

Для визуализации задачи можно построить ориентированный граф, где каждая вершина - имя города, а ребро из А в Б означает, что город Б начинается на ту же букву, на которую заканчивается город А. Ход игрока - переход из текущей вершины в новую, ранее не посещенную, по соответствующему ребру. Проигрывает тот, кто не может сделать ни одного перехода. Например, граф для игры в городки в штате Мичиган может выглядеть так:

В игре Generalized Geography (Обобщенные города) мы заменяем граф с городами на некоторый абстрактный ориентированный граф. Игроки по очереди переходят из вершины в вершину, и проигрывает тот, кто не может сделать новый ход (перейти в ранее не посещенную вершину).

Рассмотрим пример такой игры. Пусть P1 - игрок, который ходит первым, и P2 - игрок, который ходит вторым. Здесь первый игрок обладает следующей выигрышной стратегией(игра начинается с первой вершины): делает ход в вершину 2, после чего второй игрок переходит в вершину 4, так как это единственный вариант. Первый игрок ходит в вершину 5, и второй выбирает между вершинами 3 и 7. Но независимо от выбора второго игрока, первый может перейти в вершину 9, откуда второй игрок никуда не может пойти.

Утверждение

Сформулируем задачу так: по данному ориентированному графу выяснить, обладает ли первый игрок выигрышной стратегией, стартуя в вершине с номером х.

Эта задача PS-полна.

Доказательство

Доказательство принадлежности задачи классу PS

Чтобы показать, что задача принадлежит классы PS, предъявим алгоритм, работающий на полиномиальной памяти, определяющий, обладает ли игрок выигрышной стратегией находясь в вершине v графа G.

Алгоритм M(<G,v>):

1. Если из вершины, в которой находится игрок, не ведет ни одного ребра в непосещенные ранее вершины, то вернем FALSE, мы проиграли.

2. Иначе запустим этот же алгоритм от всех вершин, в которые можно пойти, и если везде вернется TRUE, вернем FALSE, куда бы мы ни пошли, второй игрок выиграет. Если же хоть из одной вершины функция вернула FALSE, то вернем TRUE, в этой вершине второй игрок проигрывает.

Этот алгоритм перебором находит выигрышную стратегию для первого игрока, и очевидно, требует полиномиальную память: на каждом шаге одна или более вершин помечаются как посещенные, и более не обрабатываются.

Доказательство принадлежности задачи классу PSH

Для доказательства этого факта сведем задачу о выполнимости булевой формулы с предваряющими кванторами в форме КНФ (эта задача PS-трудная) к Generalized Geography за полиномиальное время. Для этого воспользуемся тем, что булеву формулу с кванторами можно интерпретировать как игру двух игроков ∃ и ∀.

Булева формула с кванторами имеет следующий вид: φ = Q₁x₁ Q₂x₂ Q₃x₃ ...Q_kx_k(ψ) где Q_i квантор ∃ или ∀, а ψ - некоторая булева формула. Заметим, что любую такую формулу можно преобразовать к виду φ = ∃x₁ ∀x₂ ∃x₃ ...∃x_n(ψ) , добавив необходимое количество переменных с кванторами. Представим получившуюся формулу как игру игроков ∃ и ∀. Игрок ∃ здесь - первый игрок в Generalized Geography, а игрок ∀ - второй. Таким образом, если ∃ выигрывает в своей игре, то первый игрок обладает выигрышной стратегией в игре Generalized Geography. Осталось по булевой формуле с предваряющими кванторами получить соотвествующий граф для игры в Generalized Geography.

Для любой формулы можно построить граф, аналогичный графу, приведенному на рисунке. Рассмотрим этот граф, и докажем, что это сведение задачи о выполнимости булевой формулы к задаче Generalized Geography.

Левый столбец в этом графе описывает процедуру выборки игроками ∃ и ∀ значений переменных, если игрок выбирает TRUE, он идет в левую сторону, иначе в правую.

Зафиксировав значения переменных, игрок ∀ (т.к. в нашей КНФ-формуле с предворяющими кванторами последний квантор ∃) выбирает скобку, значение которой должно быть FALSE (тогда он выиграет!). На рисунке каждая скобка - отдельная вершина c_i.

После того, как игрок ∀ зафиксировал скобку, игрок ∃ долджен выбрать переменную, значение которой не ноль (игроки уже зафиксировали значения переменных в самом начале) и сделать переход в соответсвующую вершинку. Т.к. значение этой переменной не ноль, то игрок ∀ не сможет никуда пойти из этой вершины (тогда ∃ выиграл, первый игрок обладает выигрышной стратегией в игре Generalized Geography). Для этого проведем ребра из каждый скобки c_i в вершины, противоположные выбору TRUE или FALSE значений переменных.

Таким образом, если игрок ∃ выигрывает, то автоматически обладает выигрышной стратегией и первый игрок в Generalized Geography. Он знает, какие значения переменных надо выбрать, и в какую вершину пойти в конце. Аналогично, по выигрышной стратегии первого игрока в Generalized Geography можно узнать, какие значения переменных должен выбрать игрок ∃ для того, чтобы формула выполнилась.

Мы свели задачу о выполнимости булевой формулы с предваряющими кванторами к задача Generalized Geography. Значит, язык GG является PS-трудным, а так как выше мы доказали его принадлежность классу PS, то и PS-полным.