约瑟夫问题:
用户输入M,N值,从1至N开始顺序循环数数,每数到M输出该数值,直至全部输出。写出C程序。
#include<stdio.h> #include<stdlib.h> typedef struct ringnode{ int pos; struct ringnode *next; }ring,*Ring; void create(Ring Head,int count) { Ring cur = NULL, tail = NULL; int i = 1; tail = Head; while(--count > 0) { cur = (Ring)malloc(sizeof(ring)); i++; cur -> pos = i; tail -> next = cur; tail = cur; } tail -> next = Head; } void play(Ring Head,int m) { Ring cur,tail; int i = 1; cur = tail = Head; while(cur!=NULL) { if(i == m) { printf("\n %d",cur->pos); tail -> next = cur -> next; free(cur); cur = tail -> next; i = 1; } tail = cur; cur = cur->next; if(tail == cur) { printf("\n %d",cur->pos); free(cur); break; } i++; } } int main(void) { Ring head = NULL; int m = 0, n = 0; printf("-------------------the game start-------------------\n"); printf("N(person count) = "); scanf("%d",&n); printf("M(out count) = "); scanf("%d",&m); if(n <= 0 || m <= 0) { printf("input error!\n"); system("pause"); return 0; } head = (Ring)malloc(sizeof(ring)); head->pos = 1; head->next = NULL; create(head,n); printf("\norder:"); play(head,m); printf("\n"); system("pause"); return 0; }
对问题的简化,若只是求出最后胜利者。
思想:归纳为数学性问题。原文说的很好,还是直接Copy吧,因为搜索半天也没有找到原作者,所以无法添加引用地址了,如果这位大哥看到这里,请告知与我,小弟立刻加入引用链接:)
无论是用链表实现还是用数组实现都有一个共同点: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。我们注意到原问题仅仅是要求出最后的胜利者的序号,而不是要读者模拟整个过程。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,相信大家都可以推出来:x‘=(x+k)%n
如何知道(n-1)个人报数的问题的解?对,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!好了,思路出来了,下面写递推公式:
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],程序也是异常简单:
借鉴如下:
#include <stdio.h> int 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 ("\nThe 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。
相比之下,解法二的优越性不言而喻,同时说明数学确实很重要。