Week 8 Problems 幽夜默示錄

fallqs發表於2024-04-18

請為一切不真實之物感到驕傲,因為我們高於這個世界!

“請不要說出如此缺乏想象力的話,梅姬斯圖斯卿。幽夜淨土當然是夜鴉的國度。”說著,尊貴的書記官奧茲華爾多·赫芙那梵茵斯為一行人開啟了禮堂的大門。在禮堂的中央,無數夜鴉的環繞簇擁下,斷罪的皇女菲謝爾·馮·露弗施洛斯·那菲多特莊嚴宣告:“歡愉吧,我的子民!此刻,吾將在此重建幽夜!為了詔示世界的真理,就將這殘破與毀滅,呈現於本皇女面前!”

“小姐的意思是,對於每個謎題,都需要找到一個反例。”奧茲適時地補充道。

簡單來說,《聖國往生錄》是一部由斷罪的皇女菲謝爾親自編寫並攜眾夜鴉出演的四幕劇,講述了皇女帶領夜鴉衝破重重阻礙,破解古老謎題,重建殘破家園的故事。

「令我的子民自由,不囿於古老法則。」

每一幕中,皇女和夜鴉們都會遇到一個謎題,夜鴉們需要排成有效的陣形來形成反例,進而破解謎題。只有成功破開謎題才能讓演出進行下去。異世的旅者啊,我想知道,哪些陣形才是有效陣形呢?

要求

\(i\)代表第\(i\)幕,對於\(\forall i \in \{1, 2, 3, 4\}\),請給出第\(i\)幕中的有效陣形。如有多解,則任返回一個即可。每幕6分,總分20分。

每一幕所要求的陣形都不相同,你可能需要返回列表也可能需要返回矩陣,具體要求見後文。儘管形狀可能不同,但每個陣形都代表一個指派,列表是對形如\(P(x)\)的謂詞的指派,矩陣是對形如\(P(x, y)\)的謂詞的指派。列表和矩陣中每個元素的含義是:

  • 每個元素只能為\(1\)\(0\),分別代表這個元素所在的位置沒有夜鴉。

  • 列表中第\(i\)個位置夜鴉代表\(P(i) = 1\)沒有則代表\(P(i) = 0\)

  • 矩陣中第\(i\)行第\(j\)列的位置夜鴉代表\(P(i, j) = 1\)沒有則代表\(P(i, j) = 0\)

  • 列表的長度為\(n\),代表變元只能在\(\{0, 1, \cdots, n-1\}\)中取值。

  • 矩陣為\(n\times n\)的方陣,代表變元只能在\(\{0, 1, \cdots, n-1\}\)中取值。注意,矩陣只能為方陣。

你需要根據上述含義構造出有效的矩陣或列表作為答案,祝答題愉快。

HINT

“沒錯,這是一道提交答案題,”天才的占星術士梅姬斯圖斯卿略顯不耐煩地向你解釋道,“那個良心出題人不要求過程,你只要把答案填進去就行了。”

“嗯對,借用了線性代數的記號,你看得懂吧?”似乎是厭倦了回答問題,年輕的占星術士徑直向劇場走去。

第一幕

邪龍塔斯拉克潛入地下,越過海底,遊走至王城之上。臣民知其危險,向救世的主宰祈禱。皇女殿下降臨,大戰不免禍及王城。最終,她以聖裁的雷電擊穿龍鱗,在龍血凝成的暴雨中演講。她說道:“令……

音樂戛然而止,第一幕以一種略顯戲劇化的方式落下帷幕。

“不對不對,怎麼回來了呀!故事還沒聽完呢!”派蒙一臉的失落。

“這種感覺,糟透了,就像買到假冒偽劣占星教程,或是晚餐吃到一半發現忘帶錢包…”天才的占星術士莫娜小姐發自內心地補充道。

“啊——!好難受啊!”阿斯托洛吉斯·莫娜·梅姬斯圖斯女士發出了少女受難的呻吟。

邪龍也曾渴望夜色與幻夢,卻直到生命最後一刻才如夢初醒,毀壞其全部夢想與渴望的,竟是自己這副軀殼。

睡吧,睡吧,靜靜地睡吧。在我塑造的夢境裡,你便可以自由飛翔。

\[\exists x \forall y P(x, y) \rightarrow \forall y \exists x Q(x, y) \qquad (1) \]

  • 第一幕的有效陣形為\((1)\)式的反例,也就是說,\(\text{opera}(1) = M^P, M^Q\)

  • \(M^P, M^Q\)為同階01方陣,含義見要求

  • 只要\(M^P, M^Q\)所表達的指派構成\((1)\)式的反例即可得分

第二幕

“令我的子民自由,不囿於古老法則。”

隨著皇女殿下莊嚴宣告,第二幕伴著似有黃金般魔法的舞曲徐徐展開。撿起石頭,搭出城堡與鄉鎮,鋪上山嶺與海洋。我等金碧輝煌的王國,是狹小又禁忌的樂土。臣民朝拜她,她回答:“為本皇女獻上慶典,到曠野中演出戲劇。向我叩拜,向我獻上純淨之幻夢以換取永夜榮光。”

與此同時……

“渴望被問路的阿諾德,我問你!《聖國的詠唱》有後續嗎?在哪裡?”莫娜抱著看不到後續絕不罷休的決心問道。

“噢,噢您可真是問對人了。如果你們想找第二卷,得去高塔頂樓,有條密道能讓各位迅速抵達那裡,只要你們在那邊的山洞裡仔細找找。”自封「渴望被問路的阿諾德」之名的夜鴉高興地答道。

“好,謝謝你阿諾德。”

“是渴望被問路的阿諾德,不是阿諾德!”

為了不讓光輝暗淡,我要施展這最後的魔法。

\[\forall y \exists x Q(x, y) \rightarrow \exists x \forall y Q(x, y) \qquad (2) \]

  • 第二幕的有效陣形為\((2)\)式的反例,也就是說,\(\text{opera}(2) = M^Q\)

  • \(M^Q\)為01方陣,含義見要求

  • 只要\(M^Q\)所表達的指派構成\((2)\)式的反例即可得分

第三幕

“呵…壯麗又脆弱,龐大又膽怯…令我讚歎,也讓我作嘔!”

綺夢並非毫無代價,美麗的花朵常誕生於荊棘叢——在皇女的評判中,第三幕述說著它的註腳。數百年前,幽夜淨土被不祥之氣覆蓋,聖國的主人卻像失去了治國的興趣一般,未採取任何行動。來自現實的詰難接踵而至,令那金碧輝煌的聖國也籠上恐懼與懦弱的陰霾。

“救世的主宰者…皇女殿下。她一定會想起這裡本是怎樣的樂土,為了她,我們要仿照預言,獻上戲劇。所以我站出來,扮演勇士。我願走過千難萬險,踏過刀山火海…去向她獻上我的真心。”第三幕的最後,勇敢卻又有些冒失的萊昂向一行人述說他的祝願與真心。

倘若解開那日重重的謎題,我便能將你救贖嗎?

\[\neg \exists x(\neg P(x) \land \neg Q(x)) \rightarrow \neg (\exists x (\neg P(x)) \land \exists x (\neg Q(x))) \qquad (3) \]

  • 第三幕的有效陣形為\((3)\)式的反例,也就是說,\(\text{opera}(3) = L^P, L^Q\),其中

  • \(L^P, L^Q\)為只含01的列表,含義見要求

  • 只要\(L^P, L^Q\)所表達的指派構成\((3)\)式的反例即可得分

第四幕

錯過了第三幕的阿斯托洛姬斯·莫娜·梅姬斯圖斯小姐和大家終於找到了戲劇的主人——降臨於此世的斷罪之皇女菲謝爾。不是一個,而是兩個。

“影子?對…我們之間確實如此。你是來向我投降的嗎?小艾咪。”

另一位菲謝爾——她誕生自黑暗,正君臨此地主宰幽夜淨土的一切。

“不妨告訴各位,幽夜淨土是有來無回的地方。你們來到這裡,就要被我征服,成為我的奴隸。幽夜淨土是為無法面對現實之人準備的墳墓。你會葬身此地,我則帶著我們幻想出來的奧茲,永居王城。”

“幻想出如此龐大的國度,卻不能承受。對自身創造的事物感到動搖,就算再怎麼逃避,也無法改變你自己。是因為你無法真正抵達這裡,我才降臨於此,代行職責。幽夜淨土現今是我的東西,輪不到你來指手畫腳!”

“我,我…”菲謝爾臉上寫滿了困窘與頹唐。

“自己罵自己還能罵得這麼精彩,看來這件事困擾你很久了呢。”梅姬斯圖斯卿露出一絲占星術士的不屑。

在你創造的幻想中,我看到了愛。

在吾等之黃金鄉喲,靜靜地安息。

\[\exists s \exists t \forall y \exists x \forall z \forall w \big( (R(x, z) \oplus R(w, y)) \lor (y=z) \lor (z=s) \lor (x=w) \land (w=t) \big) \qquad (4.1) \]

  • 作為《聖國往生錄》的最終章,也是最高潮部分,第四幕出現了皇女菲謝爾殿下內心最糾結之對立面。謂詞\(R(x, y)\)是由另一位菲謝爾控制的,滿足\((4.1)\)式的任何一個謂詞,夜鴉們需要組成一個對任意\(R(x, y)\)都有效的陣形,才能真正重建家園,到達那個天氣晴朗、海面平靜又美麗的真實。

  • \((4.1)\)式中,\(x=y\)是一個二元謂詞,其值當且僅當\(x,y\)取同一個元素時為真,例如:\(\sigma(0=0)=1, \sigma(1=0)=0\)

\[\forall x \forall y \big( P(x, x) \oplus R(x, x) \oplus P(y, y) \oplus R(y, y) \oplus 1 \big) \qquad (4.2) \]

  • 第四幕的有效陣形為\((4.2)\)式的反例,也就是說,\(\text{opera}(4) = M^P\),其中

  • \(M^P\)為01方陣,含義見要求,在夜鴉們擺好陣形後,另一位菲謝爾小姐會構造一個代表\(R\)的同階方陣\(M^R\)來阻止反例的形成。

  • \(M^P\)所表達的指派對於另一位菲謝爾可能給出的任意滿足\((4.1)\)式的\(R(x, y)\)均構成\((4.2)\)式的反例才可得分。同時,\(M^P\)的階數應儘可能小,\(M^P\)與標程同階或低階時得滿分,每多一階扣一分,本幕分數扣完為止。答案錯誤不得分。

尾聲

”不可能,你竟然能透過那個噩夢般的圖書館…給我退下!”誕生自黑暗的皇女有些神色慌張。

“…現在,你還覺得我會輸嗎?”菲謝爾看上去非常生氣。

“你看不起我,覺得我懦弱,渺小。我是有過那樣的日子,因為…我是一個不能面對現實,成天做白日夢還不堪一擊的人。可現在我明白了,在看到這片幻境的一瞬間,我就想明白了。看到外面那麼驚人的幻象了嗎?無比龐大,無比美麗…這就是我的想象力,我力量的根源。你似乎很自大,黑暗的東西總是很狂妄。但不應該是這樣的。你根本不是一個完整的皇女,只是鑽在我影子裡沾沾自喜的灰塵!你才是失敗者,那個拖我後腿的人!懦弱,所以渾身尖刺,膽小,所以靠自暴自棄來偽裝。這樣的你…比我更弱小。”

“還給我!”菲謝爾怒道。

“什…什麼?”另一位皇女渾身發顫,說話都不太利索了。

“把屬於我的東西還給我!幽夜淨土、王城、子民…還有還有最重要的,我的夥伴,奧茲!”

“哎呀,小姐竟然能說出如此流利又極富氣魄的話語,您當真成長為皇女了呢。”奧茲華爾多·赫芙那梵茵斯書記官真誠而又平靜地接過話茬。

“還敢說話,你這個叛徒!”

“不,小姐,我之所以在這裡,是為了向各位證明一件事。” 奧茲繼續說道,“眾所周知,奧茲會跟隨斷罪之皇女菲謝爾。二位既然都是菲謝爾,我出現在誰的身邊都不要緊才對。”

“可是您看,當我站在這一邊的時候,您也沒有失去自己的身份不是嗎?”

“我的身份?”菲謝爾有些疑惑。“您認為,「菲謝爾」究竟是什麼?這是我給小姐您的問題。”奧茲繼續說道。“欸?菲謝爾…是…”

“是生活的失敗者,一個心懷恐懼的膽小鬼,無法面對幻想之外缺乏謊言的自己。”另一位菲謝爾斬釘截鐵道。“不,您說得不對。”奧茲卻這樣說。

“菲謝爾…是…我?”我們所認識的這位菲謝爾小姐喃喃道。“噢,反應很快。”奧茲讚許地說。

“欸?就這麼簡單?”

“這才對,小姐。菲謝爾,或許是斷罪之皇女,卻不總是。或許勇敢高傲,卻也膽小懦弱。“奧茲解釋道:”菲謝爾是您自己。既高貴又平凡,是水平一流可總也交不到太多朋友的冒險家,是不可思議之國的皇女殿下。菲謝爾,既膽小又強大,懼怕他人的閒言碎語,也渴望得到他人的崇敬。更重要的是…菲謝爾,是一個常在心中自我批判,被自己打敗無數次,又無數次站起的進取者。”

“小姐,除了您,沒有人當得起菲謝爾這個名字。它是複雜而單純的符號,指向夢想與自由之美。無論是否受人追隨,小艾咪就是菲謝爾。菲謝爾是您——在心中無意識寫下那句箴言的賢明之人。”

“…「令我的子民自由,不囿於古老法則。」”

“感謝您創造幽夜淨土,為我等搭建家園,又於潛意識中寫下《聖國的詠唱》,使我等永遠堅信光明將到來。”

“現在,殿下,請接受您的黑暗,恢復成原本的姿態吧。”

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