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约瑟夫问题

2019年08月10日 ⁄ 综合 ⁄ 共 1148字 ⁄ 字号 评论关闭
Josephus问题:
假设n个竞赛者排成一个环形,依次顺序编号1,2,…,n。从某个指定的第1号开始,沿环计数,每数到第m个人就让其出列,且从下一个人开始重新计数,继续进行下去。这个过程一直进行到所有的人都出列为止。最后出列者为优胜者。
无论是用链表实现还是用数组实现来解约瑟夫问题都有一个共同点:要模拟整个游戏过程,不仅程序写起
来比较麻烦,而且时间复杂度高达O(nm),当n,m非常大(例如上百万,上千万)的时候,几乎是没有办法在短时间内出结果的。注意到原问题仅仅是要求出最后的胜利者的序号,而不是要模拟整个过程。因此如果要追求效率,就要打破常规,实施一点数学策略。

为了讨论方便,先把问题稍微改变一下,并不影响原意:

问题描述:n个人(编号0~(n-1)),从0开始报数,报到(m-1)的退出,剩下的人继续从0开始报数。求胜利者的编号。

我们知道第一个人(编号一定是m%n-1) 出列之后,剩下的n-1个人组成了一个新的约瑟夫环
(以编号为k=m%n的人开始):
  k  k+1  k+2  ... n-2, n-1, 0, 1, 2, ... k-2, k-1
并且从k开始报0。

现在我们把他们的编号做一下转换:
k     --> 0
k+1   --> 1
k+2   --> 2
...
...
k-2   --> n-2
k-1   --> n-1

变换后就完完全全成为了(n-1)个人报数的子问题,假如我们知道这个子问题的解:例如x
是最终的胜利者,那么根据上面这个表把这个x变回去不刚好就是n个人情况的解吗?变
回去的公式很简单:x'=(x+k)%n

如何知道(n-1)个人报数的问题的解?显然,只要知道(n-2)个人的解就行了。(n-2)个人的解
呢?当然是先求(n-3)的情况 ---- 这显然就是一个倒推问题!


递推公式:

令f[i]表示i个人玩游戏报m退出最后胜利者的编号,最后的结果自然是f[n]

递推公式
f[1]=0;
f[i]=(f[i-1]+m)%i;  (i>1)

有了这个公式,我们要做的就是从1-n顺序算出f[i]的数值,最后结果是f[n]。因为实际生
活中编号总是从1开始,我们输出f[n]+1

由于是逐级递推,不需要保存每个f[i],程序也是很简单:

 

#include <stdio.h>
main()
{
  int n, m, i, s=0;
  printf ("N M = "); 
  scanf("%d%d", &n, &m);
  for (i=2; i<=n; i++) s=(s+m)%i;
  printf ("The winner is %d\n", s+1);
}

这个算法的时间复杂度为O(n),相对于模拟算法已经有了很大的提高。算n,m等于一百万,一千万的情况不是问题了。可见,适当地运用数学策略,不仅可以让编程变得简单,而且往往会成倍地提高算法执行效率。

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