Magic: The Gathering оказалась самой сложной игрой

Исследователи доказали, что настольная карточная игра Magic: The Gathering является самой сложной игрой из всех проанализированных игр, в которые играют люди. Оказалось, что существование алгоритма, который вычисляет, победит ли данный игрок, эквивалентно проблеме остановки — классической задаче теории алгоритмов, неразрешимость которой доказал Алан Тьюринг в 1936 году. Таким образом, Magic: The Gathering оказывается невычислимо сложной игрой, пишут авторы в препринте на сайте arXiv.org.

В теоретической информатике для формализации понятия алгоритма используется машина Тьюринга — абстрактный вычислитель, который состоит из бесконечной ленты, разбитой на дискретные ячейки, и управляющего устройства, которое способно считывать с ленты информацию и записывать ее. Устройство может находиться в строго определенном конечном количестве внутренних состояний, варьируя которые можно реализовать разные алгоритмы.

С помощью этой теоретической модели Алан Тьюринг в 1936 году доказал неразрешимость проблемы остановки, то есть невозможность существования алгоритма, который мог бы наперед предсказать, остановится ли данная машина Тьюринга в вычислениях данной входной информации, или же будет бесконечно проводить операции, никогда не приходя к конечному ответу. Иными словами, алгоритм машины Тьюринга, решающей проблему остановки, является невычислимым.

Большинство реальных задач являются вычислимыми и их принято классифицировать по степени ресурсоемкости. Наиболее простыми являются решаемые за полиномиальное время задачи, которые все вместе образуют множество P. Для них количество необходимых шагов машины Тьюринга для получения ответа растет не быстрее n^k, где k — константа, а n — количество занимаемых входными данными ячеек на ленте. Примером такой простой задачи является вычисление, являются ли два данных натуральных числа взаимно простыми, другими словами, есть ли у них общие делители помимо единицы.

Примером категории гораздо более сложных задач является EXP, куда входят проблемы, которые можно решить за экспоненциальное время, то есть количество необходимых операций растет не быстрее kⁿ, а такая функция для достаточно больших n будет расти гораздо быстрее, чем n^k вне зависимости от k. Существует множество промежуточных классов сложности алгоритмов, которые могут отличаться не только затрачиваемым временем, но и пространством, то есть количеством используемых для вычислений клеток. Также известны задачи, для которых алгоритма не существует — такие, как проблема остановки.

Помимо абстрактных математических вычислений по классам сложности можно ранжировать различные игры, например, шахматы, которые попадают в EXP. При этом абсолютное большинство изученных математиками реальных игр обладает верхней оценкой сложности и не дотягивают до невычислимых задач, поэтому большинство исследований по алгоритмической теории игр в первую очередь рассматривали обобщения стандартных игр, а не их существующие в реальности варианты. Из реальных игр доказано, что нетривиальной сложностью обладают «Точки» («точки и квадраты», «палочки»), «Дженга» и «Тетрис».

В работе независимого исследователя Алекса Черчилля (Alex Churchill) из Великобритании, а также математиков Стеллы Бидерман (Stella Biderman) из Технологического института Джорджии и Остина Херрика (Austin Herrick) из Пенсильванского университета, представлена математическая формализация игры Magic: The Gathering. Для этого авторы с помощью существующих карт и правил для двух игроков реализовали универсальную машину Тьюринга, причем определение победителя в таком случае эквивалентно проблеме остановки данной машины. Это, с одной стороны, впервые (по словам авторов работы) показывает пример реальной игры, в которой определение выигрышной стратегии невычислимо, а с другой — доказывает невозможность в общем случае проверки эквивалентности разных стратегий в данной игре.

Помимо интереса в контексте данной игры, новый результат также может оказать значительно влияние на основы теории игр, так как преобладающая сегодня точка зрения предполагала, что исход любой игры должен быть теоретически вычислимым. По словам самих авторов, Magic: The Gathering не соответствует гипотезам, обычно принимаемым при моделировании игр на компьютерах.

Недавно мы писали, как движение пешеходов описали с помощью теории игр, а в саму эту математическую концепцию включили уравнение Шредингера из квантовой механики. Мы делали большой материал о Джоне Нэше, одном из величайших математиков XX века, который сыграл определяющую роль в развитии математической теории игр и погиб в 2015 году. Также мы публиковали отрывок из книги «Стратегия игры», в которой описывается единая математическая формализация тактики футбольных матчей, трудных переговоров, первого свидания и международных конфликтов.