正方体棱染色对策
甲、乙二人轮流给一个正方体的棱涂色。首先,甲任选 条棱涂成红色,然后乙从余下的 条棱中任选 条涂成绿色,接着甲从余下的 条棱中任选 条涂成红色,最后乙将余下的 条棱涂成绿色。如果甲能将某个面上的 条边全都涂成红色,甲就获胜。试问甲有必胜的策略吗?说明理由。
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
对偶图把面变顶点、面之间的公共棱变边;完美匹配指每个顶点恰好被一条所选边覆盖。这里六个面中三对相对面不相邻,得到正八面体图,可直接枚举匹配,不需要一般匹配定理。
想法从哪来:先从乙的目标倒推。若第一轮绿边就能碰到每一个面,甲第二轮怎样补红都无济于事。 一条棱恰接触两个面,因此试用三条互不重复覆盖面的棱,一次阻断六个面。把面作点、公共棱作边之后,这就是六点图里的完美匹配。 接下来不必按甲首轮三条红边逐型讨论:先数所有匹配,再数每条红边最多破坏多少匹配。若三条红边的破坏数总和仍少于全部匹配,就一定能找到完全未被甲碰到的一组。最后把这组边还原成正方体的合法绿棱。
甲最终要得到一个全红面,因此乙第一次行动若能让每个面至少出现一条绿棱,甲就必败。把正方体的六个面视为顶点、把相邻两面的公共棱视为边,得到正八面体的对偶图;问题转化为在未被甲占用的边中找一个覆盖六个顶点的完美匹配。
考虑正方体的对偶图:六个面对应六个顶点,两面相邻时连接一条边。这个图是正八面体的棱图,而正方体的一条棱恰对应对偶图的一条边。
正八面体图共有 个完美匹配。事实上,它的六个顶点分成三对互不相邻的对顶点;直接按第一对顶点的配对对象计数可得 个。任意一条边恰好属于其中 个完美匹配,因为固定该边后,余下四个顶点有恰好两种配对方式。
甲第一次涂红的 条棱,在对偶图中至多破坏
个完美匹配。因此至少还有一个完美匹配不含任何红边。乙第一次就把这个完美匹配所对应的 条正方体棱全部涂绿。
完美匹配覆盖对偶图的六个顶点各一次,所以正方体的每一个面都含有一条绿色棱。此后无论甲怎样再涂 条红棱,都不可能使任何一个面的四条边全红。因此甲没有必胜策略,事实上乙有阻止甲获胜的策略。
乙所选完美匹配与甲的首轮红边不交,故三条对应棱都在余下九条棱中,行动合法。每个面已有绿棱后颜色不会改变,全红面永久不可能出现。
面覆盖问题常适合转到对偶图。正方体“每面至少一条指定色棱”等价于正八面体图中的边覆盖;完美匹配用三条边恰好覆盖六个面,再用匹配总数与每条边的出现次数保证可避开先手的三条边。
需逆向发现乙只要用三条边同时触及六个面即可永久阻断,再转到八面体匹配族证明首轮三红边不能破坏全部候选,策略来自隐蔽全局关联结构。
已记下,谢谢!