約瑟夫環問題的簡單解法(數學公式法)

2021-08-10 12:12:59 字數 1758 閱讀 7664

關於約瑟夫環問題,無論是用鍊錶實現還是用陣列實現都有乙個共同點:要模擬整個遊戲過程,不僅程式寫起來比較煩,而且時間複雜度高達o(nm),當n,m非常大(例如上百萬,上千萬)的時候,幾乎是沒有辦法在短時間內出結果的。我們注意到原問題僅僅是要求出最後的勝利者的序號,而不是要讀者模擬整個過程。因此如果要追求效率,就要打破常規,實施一點數學策略。

為了討論方便,先把問題稍微改變一下,並不影響原意:

問題描述:n個人(編號0~(n-1)),從0開始報數,報到(m-1)的退出,剩下的人繼續從0開始報數。求勝利者的編號。

我們知道第乙個人(編號一定是m%n-1) 出列之後,剩下的n-1個人組成了乙個新的約瑟夫環(以編號為k=m%n的人開始):

k k+1 k+2 … n-2, n-1, 0, 1, 2, … k-2並且從k開始報0。

現在我們把他們的編號做一下轉換:

k –> 0

k+1 –> 1

k+2 –> 2

… …

k-2 –> n-2

k-1 –> n-1

解x』 —-> 解為x

注意< x』就是最終的解 >

變換後就完完全全成為了(n-1)個人報數的子問題,假如我們知道這個子問題的解:例如x是最終的勝利者,那麼根據上面這個表把這個x變回去不剛好就是n個人情況的解嗎?!!變回去的公式很簡單,相信大家都可以推出來:x』=(x+k)%n

如何知道(n-1)個人報數的問題的解?對,只要知道(n-2)個人的解就行了。(n-2)個人的解呢?當然是先求(n-3)的情況 —- 這顯然就是乙個倒推問題!下面舉例說明:

假設現在是6個人(編號從0到5)報數,報到(2-1)的退出,即 < m=2>。那麼第一次編號為1的人退出圈子,從他之後的人開始算起,序列變為2,3,4,5,0,即問題變成了這5個人報數的問題,將序號做一下轉換:

2 –>0

3 –>1

4 –>2

5 –>3

0 –>4

現在假設x為0,1,2,3,4的解,x』設為那麼原問題的解(這裡注意,2,3,4,5,0的解就是0,1,2,3,4,5的解,因為1出去了,結果還是乙個),根據觀察發現,x與x』關係為x』=(x+m)%n,因此只要求出x,就可以求x』。x怎麼求出呢?繼續推導吧。0,1,2,3,4,,同樣是第二個1出列,變為(2,3,4,0),轉換下為

2 –>0

3 –>1

4 –>2

0 –>3

很簡單,同樣的道理,公式又出來了,x=(x」+m)%5,這裡變成5了。即求n-1個人的問題就是找出n-2的人的解,n-2就是要找出n-3,等等

因此,就可以回去看上面的推導過程了。

好了,思路出來了,下面寫遞推公式:

令f[i]表示i個人玩遊戲報m退出最後勝利者的編號,最後的結果自然是f[n]

遞推公式

f[1]=0;

f[i]=(f[i-1]+m)%i; (i>1)

有了這個公式,我們要做的就是從1-n順序算出f[i]的數值,最後結果是f[n]。因為實際生活中編號總是從1開始,我們輸出f[n]+1

由於是逐級遞推,不需要儲存每個f[i],程式也是異常簡單:

#include 

int main()

printf ("\nthe winner is %d\n", s+1);

}

這個演算法的時間複雜度為o(n),相對於模擬演算法已經有了很大的提高。算n,m等於一百萬,一千萬的情況不是問題了。可見,適當地運用數學策略,不僅可以讓程式設計變得簡單,而且往往會成倍地提高演算法執行效率。

約瑟夫環問題數學解法

首先一開始的序列 序列1 1,2,3,4,n 2,n 1,n 此時出佇列的第乙個人,位置為k,號碼肯定是m n。這個應該沒有問題,也就是取餘操作使得陣列類似能夠有迴圈的功能。此時序列2 1,2,3,4,k 1,k 1,n 2,n 1,n 此時k出佇列,序列2中為n 1個人了。根據序列2,得到序列3 ...

約瑟夫環問題的數學解法

無論是用鍊錶實現還是用陣列實現都有乙個共同點 要模擬整個遊戲過程,不僅程式寫起來比較煩,而且時間複雜度高達o nm 當n,m非常大 例如上百萬,上千萬 的時候,幾乎是沒有辦法在短時間內出結果的。我們注意到原問題僅僅是要求出最後的勝利者的序號,而不是要讀者模擬整個過程。因此如果要追求效率,就要打破常規...

約瑟夫環的數學解法

約瑟夫環問題是一道經典的資料結構題目 問題描述 n個人 編號0 n 1 從0開始報數,報到 m 1 的退出,剩下的人繼續從0開始報數。求勝利者的編號。一般我們採用乙個迴圈佇列來模擬約瑟夫環的求解過程,但是如果n比較大的時候,採用模擬的方式求解,需要大量的時間來模擬退出的過程,而且由於需要占用大量的記...