Comptes rendus MATh.en.JEANS n° 99.03
Atelier MATh.en.JEANS des collège et lycée Romain Rolland d'Argenteuil. Atelier scientifique 1998-99.
Enseignants : Sabine GIROS et Dominique GUY
Chercheur : Loïc ALLYS (Université du Maine, Le Mans)
[Résumé. (fait par les éditeurs). Au départ : plusieurs tas d'allumettes. A chaque tour, un des tas est partagé en deux tas inégaux. Le dernier à jouer gagne. Une classification des diverses situations en "types" permet, du moins en théorie, de jouer parfaitement à ce jeu.] |
1) PRÉSENTATION DU JEU
Le jeu de Gründy consiste à opposer deux joueurs et qui devront partager, chacun leur tour, un tas d'allumettes en deux tas inégaux. Le gagnant est le dernier joueur à avoir joué. [note 1]
Exemple avec 6 allumettes au départ :
Le premier joueurpeut jouer ceci ou cela
mais en aucun cas n'a le droit de jouer ceci .
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Il y a deux parties possibles :
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On note [cette partie] :
6 5 + 1 3 + 2 + 1 2 + 1 + 2 + 1.
Ainsi, dans cette partie, c'est qui a gagné, car c'est le dernier à jouer : ne peut recouper aucun tas.
Mais, dans la partie :
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et si joue |
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et gagne en jouant |
On note [cette partie] :
6 5 + 1 4 + 1 + 1 3 + 1 + 1 + 1 2 + 1 + 1 + 1 + 1
C'est qui gagne.
2) SUJET DE RECHERCHE
Nous avons cherché à savoir si certaines situations permettaient au premier joueur de gagner systématiquement (ce qui serait logique car il influence le jeu en premier) et si certaines situations permettaient, au contraire, au second joueur de gagner.
Nous supposons que les deux joueurs utilisent toujours la bonne stratégie (qui est à préciser d'ailleurs) c'est-à-dire qu'aucun des deux joueurs ne jouera volontairement une situation qui l'amènerait à perdre s'il peut faire autrement. Ainsi lorsqu'un joueur perdra, c'est qu'il n'aura pas de choix possibles l'amenant à gagner.
Exemple 2.1 [la situation 7] :
7 4 + 3 4 + 2 + 1 3 + 1 + 2 + 1 2 + 1 + 1 + 2 + 1
le joueur gagne. Ainsi le joueur ne va pas jouer 4 + 3 au départ mais :7 5 + 2 3 + 2 + 2 2 + 1 + 2 + 2
le joueur gagne. Mais le joueur peut s'y prendre autrement (ce qu'il fait, donc)7 5 + 2 4 + 1 + 2 3 + 1 + 1 + 2 2 + 1 + 1 + 1 + 2 , ce qui lui permet de gagner.
Premières constatations :
- Un tas de 1 allumette ne peut être recoupé car il ne se partage pas
- Un tas de 2 allumettes ne peut être recoupé car il ne se partage pas en deux tas inégaux.
De ce fait, dans la suite, nous ne tiendrons plus compte de ces deux nombres dans les décompositions.
[On appelle décomposition d'une situation, toute situation qui peut lui succéder suivant les règles du jeu.]
Avec cette remarque, le dernier exemple de partie devient :
7 5 4 3 2 (plus facile à lire).
On notera aussi 5 + 2 5. (Le symbole ne correspond pas à un tour de jeu mais à une simplification.)
3) METHODE EMPLOYEE
A) Définitions
[ Nous faisons une convention préalable ]
On a décidé d'appeler situation perdante, une situation où le joueur qui commence à jouer est sûr de perdre et de même situation gagnante, une situation où celui qui commence à jouer est sûr de gagner. En fait, on se réfère au premier joueur [= au joueur qui doit jouer en premier dans cette la situation] pour savoir si une situation est gagnante ou perdante.
Exemple 3.1 : Traitons les cas [d'un tas] de 4 et [celui d'un tas] de 5
4 3 2 : le joueur est gagnant, cependant, le joueur n'a pas d'autre choix possible.
Ainsi, 4 est une situation perdante .
5 3 2 le joueur gagne
mais le joueur a une autre possibilité :5 4 3 2 : et il gagne .
En offrant le 4 (perdant) , le joueur est sûr de gagner. Ainsi, le 5 est gagnant.
D'après l'exemple 2.1 vous pouvez remarquer que 7 est perdant.
Nous constatons aussi, avec ces exemples, et particulièrement celui de 5, que donner une situation perdante à son adversaire est une stratégie. D'où une plus grande nécessité de connaître la liste ( une liste ) des perdants et des gagnants. Pour la construire, en décomposant tour à tour les nombres les uns après les autres, nous avons utilisé la propriété inhérente à notre définition de perdant et de gagnant suivante :
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Exemples 3.3 :
B) Suppression de certains tas
Nous avons déjà vu que nous pouvions supprimer les tas de 1 ou de 2 allumettes. En fait nous pouvons supprimer toutes les situations perdantes car lorsqu'on commence à jouer une situation perdante, notre adversaire a toujours quelque chose à faire après nous ( c'est d'ailleurs pour cela que l'on perd ! ! ! ). Ou encore, une situation perdante sera réglée en un nombre pair de coups. [En d'autres termes :]
- [ La nature d'une situation ne change pas si on lui ajoute ou si on lui enlève une situation perdante].
Exemple 3.3 :
4 3 2 et 4 + 3 3 +1 + 3 2 + 1 + 1 + 3 3 c'est toujours au même joueur de jouer.
Ainsi 4 + 3 3 et le 4 a été supprimé.
[Pour une preuve du théorème 1 voir la note 2].
Un double est une situation où il y a deux tas ayant le même nombre d'allumettes. [note 3]
Un double peut être supprimé car c'est une situation perdante. En effet, notre adversaire aura toujours le moyen de copier ce que l'on vient de faire. [note 4]
[Théorème 3.5 ]
- [Un double est une situation perdante].
Exemples 3.4 :
C) Tableau des situations initiales gagnantes et perdantes
Ci-dessous un tableau, construit par nos soins jusqu'à 27 et complété jusqu'à 50 grâce à J.H Conway (On numbers and games [note 5] )
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4) SITUATIONS DE MEME TYPE
[Comment savoir si une situation est gagnante ou perdante lorsqu'elle est obtenue par somme de deux autres situations ? La seule distinction "perdant" ou "gagnant" va s'avérer insuffisante pour répondre à ce problème. Nous allons introduire des "types de situation" pour mieux classer les situations.]
En partant du couplage des situations gagnantes et perdantes, les cas possibles sont :
Perdant et perdant noté (P) + (P) , ex : 7 + 4
Perdant et gagnant noté (P) + (G) , ex : 4 + 5
Gagnant et gagnant noté (G) + (G) , ex : 5 + 3 . [note 6]
Nous avons cherché à savoir si ces cas étaient des situations gagnantes ou perdantes.
Or : (P) + (P) (P) par suppression d'un tas perdant ( voir §3B [théorème 2]). De même : (P) + (G) (G)
Par contre, deux gagnants ensemble peuvent créer une situation gagnante ou une situation perdante suivant les cas :
(G) + (G) [peut être] (P) : 5 + 5 est une situation perdante puisque c'est un double
Mais (G)+(G) [peut être] (G) : 5 + 3 3 + 2 + 3 3 + 3 ainsi, 5 + 3 est une situation gagnante ( car , petit rappel, elle se décompose en une situation perdante ( 3 + 3 )).
Nous avons vu qu'il y avait deux cas différents avec Gagnant + Gagnant.
[Définition 4.2 ] Nous avons décidé d'appeler :
- Gagnants de même type , deux gagnants qui donnent, ensemble, une situation perdante.
C'est à dire (G)+(G) (P) .- Gagnants de type différents , deux gagnants qui donnent, ensemble, une situation gagnante.
Soit (G)+(G) (G)
Exemples 4.3 :
elles sont toutes gagnantes. Ainsi, 6 + 3 est perdant et, 6 et 3 sont de même type.
[note 7]
.
C) Tableau des différents types
Le tableau ci-dessous s'est construit au fur et à mesure. Nous vous expliquons sa construction jusqu'au nombre 8 , nous l'avions construit jusqu'à 27 et nous vous le donnons jusqu'à 50 grâce à J.H Conway ( On numbers and games ), toujours.
- Est il du type de 3 ? Décomposons 8 + 3
8 + 3 6 + 3 (P) (car 6 et 3 sont de même type)
On trouve une décomposition perdante, ainsi 8 + 3 est gagnant et donc 8 et 3 sont de types différents et 8 n'est pas dans la colonne T1
- Est il du type de 5 ? Décomposons 8 + 5
Toutes les décompositions étant gagnantes, 8 + 5 est une situation perdante, ainsi 8 et 5 sont de même type et 8 est de type T2.
Finalement, [on peut résumer comme ci-dessous la définition des types pour les situations comportant un seul tas.]
[Définition 4.4 ] [On attribue de proche en proche un type aux situations 0,1,2,3 ...., avec la règle suivante :
- si la situation N est de même type (au sens de la définition 4.2) qu'une des situations précédentes, soit N' avec N'<N ; le type de la situation N est alors celui de N'. (note 8)
- sinon, le type de la situation N est Tk , où k est le plus petit numéro manquant dans les numéros des types apparus précédement.]
[Selon cette définition,] nous avons le tableau suivant [qui donne la classification des 50 premières situations suivant leur type] :
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5) TRAVAIL SUR LES TYPES
A) Mélange des types
On peut se demander comment vont réagir des configurations réalisées à partir des différents types.
[La question étudiée est la suivante : A et B étant des situations d'un type connu, peut-on attribuer un type à la situation A+B ? (note 9)]
On voit très vite pourquoi, par exemple, T0 + T0 T0. En effet, deux perdants ensemble donnent une situation perdante.
De même, rapidement, on a T0 + Ti Ti puisque l'on peut supprimer tout perdant dans une décomposition .
D'autre part, et par définition des gagnants de même type, Ti + Ti T0 .
Reste à étudier les mélanges un peu moins évidents de types.
-De type T1 ? Pour cela, il faudrait que T1 + T2 + T1 T0, or, T1 + T2 + T1 T2 puisque T1 + T1 T0 , et que l'on peut le supprimer. Ainsi T1 + T2 n'est pas de type T1 .
-De type T2 ? Comme précédemment, T1 + T2 + T2 T1 et pas T0 et donc T1 + T2 n'est pas de type T2 .
-De type T3 ? Regardons la décomposition d'une situation T1 + T2 + T3
Par exemple :
3 + 5 + 13 5 + 13 (G)
Ainsi, 3 + 5 + 13 est une situation perdante et 3 + 5 est du même type que 13, soit T1 + T2 T3 .
De cette règle, on déduit : T1 + T3 + T2 T3 + T3 T0 . Soit : T1 + T3 T2
Et de même, T2 + T3 T1 .
- Il ne peut pas être de type T1 ni T4 ( voir pour T1 + T2 qui n'est ni T1 ni T2 ).
-Est-il de type T2 ? T1 + T4 + T2 T3 + T4 , qui n'est pas perdant, donc T1 + T4 n'est pas de type T2 .
-De même, T1 + T4 n'est pas de type T3 .
-Voyons s'il est de type T5 [en cherchant le type de T1 +T4 +T5 ] : essayons avec les décompositions de 3 + 18 + 41 .
3 + 18 + 41 18 + 41 (G)
3 + 18 + 41 3 + 18 + 34 + 7 3 + 18 +34 18 (G)
Reste le 18 à décomposer.
3 + 18 + 41 3 + 41 + 17 T1 + T2 + 41 T3 + 41 (G)
Enfin, toutes les décompositions sont gagnantes et
donc 3 + 18 + 41 est perdant, et donc 3 + 18 et 41 sont de
même type soit :
T1 + T4 T5 .
T2 + T4 + T1 T3 +
T4 (G)
T2 + T4 + T4 T2 (G)
T2 + T4 + T2 T4 (G)
T2 + T4 + T5
T2 + T1 (G)
T2 + T4 + T3 T4 +
T1 (G)
on va donc nommer T6 son nouveau type [note 10]. Ainsi T2 + T4 T6
Il s'ensuit que T2 + T6 T4 [et que] T4 + T6 T2
[Théorème 5.1] Récapitulatif :[note 12]
T1 + T2 T3
T1 + T3 T2
T2 + T3 T1
T1 + T4 T5
T2 + T4 T6
T3 + T4 T7
T1 + T5 T4
T2 + T5 T7
T3 + T5 T6
T4 + T5 T1
T1 + T6 T7
T2 + T6 T4
T3 + T6 T5
T4 + T6 T2
T5 + T6 T3
T1 + T7 T6
T2 + T7 T5
T3 + T7 T4
T4 + T7 T3
T5 + T7 T2
T6 + T7 T1
B) Détermination du type d'une situation
Lors de la décomposition d'une situation, nous avons fait une constatation que nous n'avons pas démontré :
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Exemple 5.3. Pour [la situation] 19 : cherchons le type de toutes ses décompositions
19 18 T4
17 T2
16 + 3 T3 + T1 T2
15 + 4 15 T1
14 + 5 T0
13 + 6 T3 + T1 T2
12 + 7 12 T1
11 + 8 T0
10 + 9 9 T1Ainsi, le plus petit type manquant est le type 3, qui est celui de 19.
Exemple 5.4. Autre exemple : pour 29 :
29 28 T1
27 T4
26 + 3 3 T1
25 + 4 25 T3
24 + 5 T4 + T2 T6
23 + 6 6 T1
22 + 7 22 T3
21 + 8 T4 + T2 T6
20 + 9 9 T1
19 + 10 19 T3
18 + 11 T4 + T2 T6
17 + 12 T2 + T1 T3
16 + 13 T0
15 + 14 T1 + T2 T3
Le plus petit type qu'il manque est T2 et c'est en effet celui de 29.
Notes des
éditeurs
Note 1. Gründy proposa ce jeu en 1939. En dépit du calcul des 10.000.000 premiers cas par R. Guy, ce jeu continue à défier toute analyse complète.
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Note 2. Une situation de jeu est soit perdante ou gagnante, c'est ce que nous nommons la "nature" de cette situation : par définition deux situations de même nature sont équivalentes.Le théorème énoncé se formule plus précisément de la manière suivante : Si P est une situation perdante et X une situation quelconque, alors la situation P+X (situation "somme", obtenue en réunissant en un seul ensemble de tas l'ensemble de tas P et l'ensemble de tas X), est équivalente à la situation X.
Une preuve rigoureuse de ce résultat s'obtient en deux étapes, en faisant intervenir les jeux P et X qui correspondent (séparément) aux situations P et X. Le jeu qui correspond à la situation P+X est noté P+X.
1ère étape : si X est perdante, P+X est perdante.
En effet, pour chacun des jeux P et X, (le second joueur) dispose d'une stratégie gagnante ; gagne alors dans le jeu P+X avec la stratégie suivante :lorsque joue "dans P" (c'est à dire en divisant un tas de P), répond "dans P", conformément à la stratégie gagnante du jeu P
lorsque joue "dans X" (c'est à dire en divisant un tas de X), répond "dans X", conformément à la stratégie gagnante du jeu X.2ème étape : si X est gagnante, P+X est gagnante.
En effet, devant la situation P+X, joue "dans X" conformément à la stratégie gagnante qu'il connaît pour le jeu X. La nouvelle situation est alors de la forme P+X' où X' est perdante. D'après notre première étape, P+X' est perdante. Il en résulte que P+X est gagnante (rappelons qu'un situation est gagnante si une de ses décompositions est perdante !).
Le jeu noté P+X est couramment appelé le jeu somme des jeux P et X. C'est la nature d'un jeu somme qui est recherchée dans la suite de l'article.
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Note 3. Plus généralement, on pourrait appeler double la réunion de deux situations identiques. Les résultats qui suivent s'appliquent sans changement avec cette définition.
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Note 4. La stratégie qui permet à (deuxième joueur) de gagner à partir d'une situation "double" de la forme S+S est la suivante : (premier joueur) joue ce qu'il veut dans l'un des deux exemplaires de S, et répond en jouant la même chose dans l'autre exemplaire de S. La situation qui en résulte sera encore "double" : avec cette stratégie d'imitation,sera forcément le dernier à jouer. Autrement dit : le jeu somme (voir note 2) de deux jeux identiques est perdant (pour le premier joueur).
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Note 5. J.H. Conway, On numbers and Games, Academic Press, New York, 1976. L'encyclopédie en ligne des suites d'entiers de Sloane () donne les valeurs suivantes pour les tas perdants : 0,1,2,4,7,10,20,23,26,50,53,270,273,276,282,285,288,316,334,337,340,346,359,362,365,386,389,392,566,630,633,636,639,673,676,682,685,923,926,929,932,1222,...
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Note 6. C'est nous qui avons introduit ces notations (G) et (P) pour ne pas confondre les classes de situations avec les situations elle-mêmes. On peut lire «(G)» comme «une situation de la classe "gagnant"» et «(P)» comme «une situation de la classe "perdant"».
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Note 7. Il est normal de se demander ici si l'appellation "situation de même type" est bien choisie. Deux situations A et B qui sont, chacune, de même type qu'une autre situation C sont-elles, elles-aussi de même type ? Autrement dit, sachant que A+C et B+C sont des situations perdantes, est-il vrai que A+B est elle aussi perdante ? Fort heureusement, cela est bien le cas. en effet C+C est perdante d'après le théorème des "doubles" (Théorème 3.5), donc, d'après le théorème 3.4, on a A+B A+B +C+C. Or cette dernière situation est la somme des deux situations perdantes A+C et B+C, donc est perdante d'après le théorème 3.4. Cela prouve la transitivité de la relation "A est de même type que B" . Cette relation étant également réflexive (car A+A est perdante) et symétrique (car A+B=B+A), c'est une relation d'équivalence.
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Note 8. Ici, nous avons vraiment besoin d'être sûr que deux situations du même type que N sont de même type, Cela a été prouvé dans la note 7.
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Note 9. Dans la suite, les auteurs utilisent sans le dire la propriété suivante : Si A et A' sont de même type, et si B et B' sont de même type , alors A+B et A'+B' sont de même type. Cela est très facile à prouver : si A+A' et B+B' sont perdantes, A+A'+B+B' est perdante d'après le théorème 3.4. autrement dit A+B et A'+B' sont de même type.
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Note 10. Cette définition du type T6 est incorrecte, car T6 a déjà été défini par la définition 4.4 comme le type d'une situation gagnante à un seul tas qui s'avère de type différent des types précédemment apparus T1 , T2 , T3 , T4 , T5 . On peut prouver que T2+ T4 est effectivement de type T6 , de la même manière que l'on avait prouvé précédemment que T1+ T4 était de type T5 , c'est à dire en considérant les décompositions de T2 + T4+ T6 et en montrant qu'elles sont toutes gagnantes,
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Note 11. Même remarque que dans la note 10 : le type T7 ayant déjà été introduit comme type d'une certaine situation à un seul tas, pour prouver que T3+ T4 est de type T7 , il faut établir que toutes les décompositions de T3+ T4 + T7 sont gagnantes.
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Note 12. Une conclusion simple sur le "mélange des types" apparaît ici : la somme de deux situations à un seul tas, a pour type celui d'une situation à un seul tas . cette "loi" (faute de preuve générale, il s'agit encore d'une conjecture) vient d'être établie pour les types T0 , T1 , jusqu'à T7.
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Note 13. Historiquement, c'est la propriété énoncée par la conjecture 5.2 qui a servi à Gründy (et, indépendamment à Sprague) pour introduire la fameuse "fonction de Sprague-Gründy", fonction qui attribue une valeur entière à chaque position d'un jeu de NIM .
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MOTS
CLEFS
nombre entier jeu de gründy tas d'allumettes jeu de nim fonction de gründy addition de nim
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