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约瑟夫斯环问题的几种经典解法

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WindSun
修改2019-09-02 11:26:16
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修改2019-09-02 11:26:16
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文章被收录于专栏:编程技术专栏编程技术专栏

经典的约瑟夫斯

问题描述:

有n个人围成一圈,从1开始顺序排号。从第一个人开始报数(从1~3报数),凡报到3的人退出圈子,问最后留下的是原来的第几号?

数组循环模拟法

代码语言:txt
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const int N = 1000;
int person[N]={0};

int getJosePhus(int n,int m)
{
	if (n <= 0 || m <= 0)	//检查参数的有效值
		return -1;

	for(int j=0;j<n;j++)	//对下标为0~n-1赋值1~n
	{
		person[j] = j+1;
	}

	int leave = 0;	//离开的人
	int count = 0;	//计数1、2、3
	int index = 0;	//记录下标,超过n要取模,形成环形

	while (leave<n-1)	//当离开的人数比n-1少(即未退出人数大于1时,执行循环)
	{
		if(person[index]!=0)	//i下标的人还活着,计数就+1
		{
			count++;
		}
		if(count==m)	//当数到下标为m时,下标值置为0,计数器置0,离开人数+1
		{
			person[index] = 0;
			count = 0;
			leave++;
		}
		index++;	//每次循环下标仅+1
		if(index==n)	//达到了数组的最大下标,取模回到开头
		{
			index = index%n;
		}
	}
	index = 0;
	while (person[index]==0)	//循环找出剩下最后的值未清零的那个人的数组下标
	{
		index++;
	}	
	return person[index];
}

双向链表模拟法

代码语言:txt
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int getJosePhus(int n,int m)
{
	list<int> circle;
	for(int i=1;i<=n;i++)
	{
		circle.push_back(i);
	}
	list<int>::iterator cur = circle.begin();
	while (circle.size()>1)
	{
		for(int i=0;i<m-1;++i)
		{
			++cur;
			if(cur==circle.end())	//走到end,就是头节点的前一个结点,要跳到第一个begin头节点
			{
				cur = circle.begin();
			}
		}
		list<int>::iterator next = ++cur;	//删除数到m的人要记录下一个人的地址,如果下一个人是end(头节点的前一个结点),要跳到第一个begin头节点
		if(next==circle.end())
		{
			next = circle.begin();
		}
		--cur;
		circle.erase(cur);	//erase函数会析构此结点,在返回的时候,指向当前迭代器的下一个节点
		cur = next;
	}
	return circle.front();
}

数学推理法

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,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。

如果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fi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fn

递推公式

f1 = 0; (i = 1) fi = (fi - 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fi的数值,最后结果是fn。因为实际生活中编号总是从1开始,我们输出fn+1.由于是逐级递推,不需要保存每个fi,程序也是异常简单:

代码语言:txt
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int getJosePhus(int n,int m)
{
	if(n<=0||m<=0)
	{
		return -1;
	}
	int last = 0;
	for(int i=2;i<=n;i++)
	{
		last = (last + m) % i;
	}
	return last + 1;
}

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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