来自未来的围棋：假如围棋棋盘有无限大
作者，Math001, 哆嗒数学网网主。
关注微信：DuoDaaMath 每天获得更多数学趣文
新浪微博：http://weibo.com/duodaa
AlphaGo和世界排名第一的中国棋手柯洁的比赛结束了。不出所料，即便柯洁这样的围棋大师，也已经完全不是我们人类发明的围棋程序的对手。但是，熟悉人工智能的人都知道，无论人工智能有多么强大，他能做出能让现在的人们多么惊奇的事情，它的本质并不是黑魔法，而仅仅是数学。
数学里有一个分支叫做博弈论，英语叫做Game Theory，直译过来就是“游戏理论”的意思。围棋是一种游戏，这个游戏的很多理论也符合博弈论的一些经典结论。博弈论里有一种游戏叫做完全信息博弈，意思是无论是自己还是你的对手，和游戏有关的所有信息都是知道的。自己能走哪里，对手能走哪里，自己之前做过什么，对手之前做过什么，都是相互知晓，没有隐藏。相反，现在最火的电脑网络游戏之一的《英雄联盟》则不是完全信息博弈，因为迷雾的影响，你在某个时刻并不知道对手是在打野还是回城升级装备。
我们的故事现在开始。
用一种数学表示围棋
诗人歌德曾经调侃：数学家就像法国人一样,无论你说什么,他们都能把它翻译成自己语言,然后完全不是你刚才说的那样。我不知道这是在膜还是在黑，我保证读完这一小节后，有很多读者都会有这样的感觉。
当执黑先行，棋盘上有19×19=361个交叉点，加上Pass（即是说不走，让对方走），黑棋有362种下法可以选择，当黑棋下完第一步，那么因为之前黑棋下过的位置不能再下，白棋还剩360个位置可以行棋。当棋局进行到某个局面，考虑到按围棋规则不能落子的点，黑棋和白棋能下位置数量会有所不同，但可选择的下法有仅仅是有限个——不超过362个。
我们把每个局面下起手可以选择下法编号，0号下法是Pass，1号下法、2号下法、……n号下法。那么不嫌麻烦，我们下棋的时候，完全可以不用摆子，叫出下法编号就可以。
比如黑棋叫出1号下法，白棋叫出8号下法，然后黑棋再叫出下完1号、8号下法局面下的5号下法，再来给白棋叫出他的下法。实际上，这个时候，黑白双方已经不是在玩一个落子的游戏，而是在玩一个叫号的游戏，叫出的都是自然数。
黑方叫号： 1 5 8 9 … 11 12
白方叫号： 8 3 6 11 … 55 4
围棋会在有限步后终止游戏，判定胜负。终止的那一刻，我们记录下了一个序列，比如上面对局的序列就是<1,8,5,3,8,…,12,4>，这是一个记录比赛进程的行棋序列，我们把这个序列一个符号x表示，特别的上面行棋序列的x(0)=1,x(1)=8,x(2)=5用它也可以来判定胜负。
按中国规则，黑棋要要还三又四分之三字给白棋。
我们制造一个集合 A = { x : x为行棋序列，x使得 黑棋子数-3.75 大于 白棋子数+3.75 }， 那么黑棋赢的表述就成了，行棋序列x∈A 。白棋赢的表述就是 x ∉ A 。
我们可以改变集合A，从而改变游戏的规则。比如比较温和的改动是改变还子个数，比如以前的围棋是不还子的。激进的改动是，如果行棋序列中使得围棋棋盘上首先出现五连珠的一方算赢，那么这游戏变成了一个可以吃子的五子棋，而不再是围棋。
但无论怎么改变集合A，有一点始终没变，游戏始终是一个完全信息的有限游戏（就是说每次能选择下法有限，游戏也会在有限步内终止）。
博弈论经典结论：完全信息的有限游戏，必有一方有必胜策略。意思是说，围棋在双方都有能力最强招的情况下，其实胜负已定。这种有一方有必胜策略的游戏，叫做决定的游戏。
穿越到未来的围棋
好吧，如果一个职业棋手对我说，“你说胜负已定，你说是黑棋赢还是白棋赢？我们来下下？”，我只能报以微笑，并认输回应，虽然最强招在数学上被证明存在，存在性并不能保证我能知道它具体是什么。就算棋力远远超过人类AlphaGo现在他也不能保证他知晓这个其实已经存在最强招法。
然而，我们可以试想一下，到某个遥远的未来。人类的智能水平发展到一个让现在的看来人匪夷所思的高度。每个人都知道围棋的最强招法，于是围棋变得无趣，因为还没有落子我们就知道了结果。
未来的人不再满足只有361个交叉点，他们设计横竖都无穷个行列（确切的讲是可数无穷），以满足每一次轮到他落子的时候，自己可以有无穷个可以落子位置。他们也不再满足在有限步结束的游戏，而把游戏规定成需要无限的进行下去。
他们还是叫号地玩游戏。这样，黑棋第一步，在0号下法，1号下法，..., n号下法，…选择出一种下法落子，然后白棋在对应局面的，0号下法，1号下法，..., n号下法，… 中选择一种应对。
棋局的出牌会变成这样：
黑方叫号： 1 3 6 81 4 …
白方叫号： 3 6 33 45 99 …
这样，行棋序列会变得无限长，成为<1,3,3,6,6,33,81,45,4,99,…>
这是一个在有限步之内无法完成的游戏。在当前的现实中，是无法完成这个游戏的。但是在数学中，无限是一个可以达到完成的实体。也许智能高度发达在未来，我们能在大脑的意念中，玩耍这个游戏。
那么如何判定输赢呢？和前面一样，事先设定一个集合A，A由一些无限长的自然数序列组成，如果最后得双方的行棋序列x是A里的元素，则黑棋赢。否则，x ∉ A 白棋赢。
新的游戏，似乎只是把有限的情况改成无限。它仍然的完全信息的游戏。那么无论我们怎么改变A，是不是黑白双方，必有赢的策略呢。
现在，我可以告诉你，之前的都是铺垫，真正的内容才刚刚开始。
这是什么游戏？
这不是小编杜撰的游戏，数学家，尤其是集合论学家们早已经研究了很多。这个游戏带来的相关论题，却和公理体系和实数结构有关系。
为了标记方便，我们把前面无限游戏下选定集合A为胜负判定集合的游戏叫做Game(A)。
为了阐述和实数的联系我们先做一个铺垫。如果你有拓扑学的基础知识的话，会很容易看懂下面再说什么。
取集合NS = { x： x为自然数的无穷序列}
对于两个自然数的无穷序列：
x = <x(0), x(1), x(2), …, x(n), …>∈NS
y = <y(0), y(1), y(2), …, y(n), …>∈NS
定义距离d( x, y) 如下：
你还能验证距离函数d( x,y )在NS中还是一个完备的距离。而这个距离诱导的拓扑竟然和无理数同胚（你试试用连分数验证一下）——虽然我们知道无理数在通常的距离下，无理数并不是完备距离空间——而无理数在很多数学意义下，占有了实数的大多数。研究NS这个自然无穷序列的空间就和实数的研究联系起来了（实际上，集合论学家更关心的是Borel同构，实数和无理数是Borel同构的）。
实际上，如你可以想到的，集合论里，把一个自然数的无穷序列称为实数。实际上，集合论学家把他看成实数的一种形态。下面的部分，当我们说到实数的时候将不区分这样的具体形态。
是不是我们无论怎样改变集合A， Game(A)的黑棋和白棋中都有一方有必胜的策略呢？
在现行使用最多，也最被人接受的数学公理体系ZFC中，你是可以用选择公理构造一个集合，使得黑白双方都没有必胜策略。
有很多办法，从不同角度去构造这样的集合。但我们不会在这里去表述这种集合的构造细节。这里只是提示一下其中的一个办法：无论黑棋的策略或者白棋的策略，都只有连续统基数c那么多个，而实数的子集实在是比这个多得多。用这个实数，超限的归纳和用一些对角线方法，就能造出这样的集合。
有一个集合A，使得游戏Game(A)的对局双方都没有必胜策略。但是，只要有人愿意开一把，行棋的序列总能判定胜负——这样的游戏是不是变得好玩了呢。
一些人的吐槽：选择公理是真的吗？
“什么？居然有一个集合A，让Game(A)不能被确定，我完全不能接受！”好吧，熟悉选择公理的人一定会说，选择公理做出来的东西不具有构造性，那意味着样的集合是看不清也摸不着的。的确，有的人更愿意相信所有的Game(A)应该有一方有必胜的策略，有就是说，游戏是决定的，这就是决定性公理。
决定性公理（Axiom of Determinacy，简称AD）：对所有NS中的子集，所有的Game(A)都是决定的。
按照一般的要求，一个命题要成为公理，它应该至少要和常用的策梅洛-弗兰克尔公理体系(ZF公理体系)不矛盾，集合论中叫做协调。但是，这里有个很奇怪的结论，因为AD能推出ZF体系是协调的，于是根据哥德尔的第二不完备定理，ZF + AD这个体系是否相对于ZF协调，不能被证明。
另外，虽然ZF+AD中对普遍的选择公理（即任意多的集合簇有选择函数）不成立了，但是它对选择公理的的否定没有完全彻底，对可数选择公理还是成立的——ZF+AD能将可数个集合有选择函数变成定理(Countable Choice)。
于是，实分析中一些常用的定理，在ZF+AD还是成立的（至少在实数范围内是成立的），比如
可数个可数实数子集的并还是可数的。
海涅归结原理：当x→a时，实函数f(x)→b，当且仅当，对任意序列x(n)→a，n→∞，f(x(n))→b。
贝尔纲定理：实数这个完备度量空间中，可数个稠密开集的交稠密。
历史上，波莱尔曾经旗帜鲜明地反对选择公理，但他认为可数的选择公理是可以的，并且可数选择公理就够了。也许决定性公理可以成为他的一个选项。
实际上，决定性公理会牵涉到实数的一些底层性质。而这些联系，是通过设计一些新的游戏来展示的。
新游戏一：关于第一纲集和贝尔性质
如果一个集合的闭包没有内点，那么这样的集合被称为无处稠密集合。而第一纲集就是可数个无处稠密集合的并。
一个集合如果它和某个波莱尔集的对称差是第一纲集，我们说具有贝尔性质。
我们现在来看一个新的游戏。在之前的Game(A)中，黑白双方叫出的是一个数字，而这个新游戏中，黑白双方叫出是一串数字，一个有限长度的自然数序列。
黑方叫号： <0,3,5,6> <2,1> <8, 9,7,9,5,9> <4,12,5,7,8,0> ...
白方叫号： <0,5> <2,1,34,5> <9> <4,12,5,7,8,0> ...
同样，我们把这些序列拼接起来，能得到一个无限长的自然数列，比如上面的拼接起来就是 <0,3,5,6,0,5,2,1,2,134,5,8, 9,7,9,5,9,9,4,12,5,7,8,0,4,12,5,7,8,0, ...>
我们还是设定一个集合A，规定得到的序列x∈A，黑方赢，否定白方赢。
这个游戏叫做Banach-Mazur游戏，在设定的集合A下，我们把它名字叫做Game1(A)。
如果你理解了前面的编号思想，你很容易想清楚，如果所有的Game(A)是决定的，那么所有的Game1(A)也是决定的。
你可以试试证明这样一个事情：Game1(A)中，白方有必胜策略，当且仅当，A是第一纲集。
于是，有人能利用上面的结果，得到：
如果决定性公理成立，则任何实数子集都具有贝尔性质。
因为，贝尔性质是一种拓扑性质，所有决定性公理其实能说明实数在拓扑性质上的一些确定性。
新游戏二： 完备集性质和连续统假设
如果一个实数子集是没有孤立点的闭集，我们说这个集合是完备集。如果一个实数子集是有限的或可数，再或包含一个完备集，那么我们说这个集合具有完备集性质。
我们新游戏二的规则发生重大改变。黑方能叫的号还是一串数字，不过数字只能在0和1中选择，而白方只能叫出一个数字，同样只能在0,1中选择。
黑方叫号： <0,1,1,0> <0,1> <0, 1,1,1,1,1> <0,0,1,1,0,0> ...
白方叫号： 0 0 1 0 ...
同样，我们把这些序列拼接起来，能得到一个无限长的0-1列，比如上面的拼接起来就是,<0,1,1,0,0,0,1,0,0, 1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,0,0,...>。
这里，我们其实已经只是在0-1序列组成的空间里叫号了。
取集合TS = { x： x为0-1无穷序列}，
x = <x(0), x(1), x(2), …, x(n), …>∈TS
y = <y(0), y(1), y(2), …, y(n), …>∈TS
这个TS空间里，如果我们按前面相同的方式定义距离
那么通过这个距离诱导得到的拓扑空间，和康托集同胚。
我们设定一个TS的子集A，规定得到的序列x∈A，黑方赢，否定白方赢。定名Game2(A)。
同样，用一些小技巧，我们可以知道，在决定性公理成立的情况下，所有的Game2(A)都是决定的。
关于这个游戏，有两个经典的结论。
Game2(A)中，白方有必胜策略，当且 仅当，A是可数或者有限集合。
Game2(A)中，黑方有必胜策略，当且仅当，A是包含一个完备集合。
于是，如果决定性公理成立，那么任何实数子集都有完备集性质。
如果，你对完备集合一些性质比较熟悉的话，会知道完备集合的是和实数集合等势的。于是，我们在决定性公理成立的情况下，得到一个比较弱的连续统假设成立：任何一个实数子集要么和实数等势，要么至多可数的势。
新游戏三：勒贝格测度与可测集合
这里，由于篇幅原因，我们不再具体介绍新游戏三了。新游戏三的大致思路就是，想办法把游戏移植到传统形态的实数上去，并把勒贝格测度结合起来。通过前面两个变种游戏，大家应该能相信，这样事情是能办到的了吧。
这里要说的重点是下面这个有意思结论。
如果决定性公理成立，所以实数子集都是勒贝格可测的。于是什么不可测的Vatali集，Banach分球怪论什么的，都不存在了。
结束
我们从一个传统的围棋游戏开始讲述，把围棋用数学转化成了一个大家只呼喊自然数的游戏，然后进一步让它“进化”成了一个无穷游戏。然后发现它居然能与实数的结构有着深刻的联系，难怪有集合论学家自嘲：
集合论学家就是一群不知道实数是什么的数学家。
关注微信：DuoDaaMath 每天获得更多数学趣文
新浪微博：http://weibo.com/duodaa