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约瑟夫问题总结(转载)

http://gdxzleecs.blog.sohu.com/124424792.html

首先看一看最原始的约瑟夫问题:

1   约瑟夫环(Josephus)问题是由古罗马的史学家约瑟夫(Josephus)提出的,他参加并记录了公元66—70年犹太人反抗罗马的起义。约瑟夫作为一个将军,设法守住了裘达伯特城达47天之久,在城市沦陷之后,他和40名死硬的将士在附近的一个洞穴中避难。在那里,这些叛乱者表决说“要投降毋宁死”。于是,约瑟夫建议每个人轮流杀死他旁边的人,而这个顺序是由抽签决定的。约瑟夫有预谋地抓到了最后一签,并且,作为洞穴中的两个幸存者之一,他说服了他原先的牺牲品一起投降了罗马。

2  17世纪的法国数学家加斯帕在《数目的游戏问题》中讲的一个故事:15个教徒和15 个非教徒在深海上遇险,必须将一半的人投入海中,其余的人才能幸免于难,于是想了一个办法:30个人围成一圆圈,从第一个人开始依次报数,每数到第九个人就将他扔入大海,如此循环进行直到仅余15个人为止。问怎样排法,才能使每次投入大海的都是非教徒.

3   有n只猴子,按顺时针方向围成一圈选大王(编号从1到n),从第1号
开始报数,一直数到m,数到m的猴子退出圈外,剩下的猴子再接着从1 开始报数。就这样,
直到圈内只剩下一只猴子时,这个猴子就是猴王,编程求输入n,m后,输出最后猴王的编
号。

4     编号为1,2,3,…,n的n个人按顺时针方向围坐一圈,每人持有一个密码(正整数)。一开始任选一个正整数作为报数的上限值m,从第一个人开始按顺时针方向自1开始顺序报数,报到m时停止。报m的人出列,将他的密码作为新的m值,从他在顺时针方向上的下一人开始重新从1报数,如此下去,直到所有人全部出列为止。编程打印出列顺序。


以上是典型的约瑟夫问题。约瑟夫问题的传统解法是利用循环链表加以解决,这就需要从1号元素开始模拟所有元素出列的情况,附上原始的解决方法:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
struct node
{
    int code;
    node * next;
};
int n,m,i,j;
int main(void)
{
    node * head,* tail,* no,* p2;
    no=new node;
    no->code=1;
    no->next=NULL;
    head=tail=no;
    scanf("%d%d",&n,&m);
    for (i=2;i<=n;i++)
    {
        no=new node;
        no->code=i;
        no->next=NULL;
        tail->next=no;
        tail=no;
    }
    tail->next=head;
    for (i=1;i<=n-1;i++)
    {
        j=1;
        while (j<=m-1)
        {
            no=no->next;
            j++;
        }
        printf("%d ",no->next->code);
        p2=no->next;
        no->next=no->next->next;
        delete p2;
    }
    printf("%d\n",no->code);
    system("pause");
    return 0;
}

对于4 :

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
/*********
作者: 北京交通大学
      循环链表的应用
********/
typedef struct LNode
{
        int num,code;
        struct LNode *next;
       
}LNode,*Linklist;
/*********
函数名:Josef
参数:整形n,代表人数  m代表初始的密码
返回值:无

**********/
void Josef(int n,int m)
{
     Linklist head,p,L,q;
     head = (Linklist)malloc(sizeof(LNode));
     p = head;
     int i,j,k,temp;
     int mima = m;//初始密码
     for(i=1;i<n;i++)//建立单循环链表 ,有头结点
     {
         L = (Linklist)malloc(sizeof(LNode));
         p->next = L;
         p = L;
     }
     L->next = head;//L指向队尾;
     //L = head;
     //p = head->n;
     p = head;
     for(i = 1;i<=n;i++)//为每一个节点输入密码和号数
     {
    
           printf("请为节点%d输入密码:",i);
           scanf("%d",&j);
           p->num = i;
           p->code= j;
           p = p->next;
          
     }
     
 
  
    int count = 0;    //count来寻找删除的节点的前一个节点
    p = L;            //从尾指针 开始查找,来防止初始密码为1时可能带来的指针溢出问题
    while(p->next!=p)
    {
         while(count<mima-1)
         {
              p = p->next;
              count++;
             
         }
         mima = p->next->code;
         printf("%d ",p->next->num);
         p->next = p->next->next;
         count = 0;
        
    }
    printf("%d",p->num);
   
     
}
main()
{
      int n,m;
      printf("请输入人数:");
      scanf("%d",&n);
      printf("请输入初始密码:");
      scanf("%d",&m);
      Josef(n,m);
      getchar();
     
}

 

 

 

以上时间复杂度高达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。

有的问题例如猴子选大王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:

#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 ("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。

在此基础上再看看POJ 2244这个问题:

问题描述:http://acm.pku.edu.cn/JudgeOnline/problem?id=2244

这个问题对约瑟夫问题有点变形: 已知最后的元素 为 2  ,n 从输入中给出,求出最小的m

其实这个用一种比较笨的办法就是 m 从1开始一个一个试,找到第一个(n ,m),使得最后出列的元素序号为2 的 m 即为解。

求最后出列元素的方法由上面给出,这里所作的优化就是求约瑟夫的优化,至于遍历求m的优化可以考虑打表。

这个题目还有一点要注意的就是 : 它第一个打印的元素始终是1,从2开始为约瑟夫问题,这样可以把2看做是1,n看为n-1的约瑟夫问题。

一下是源代码:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int josef(int n,int m)
{
 int s = 0;
 for(int i = 2;i<=n-1;i++)
  s = (s+m)%i;
 return s+1+1;
}
int main()
{
    int n;
    int m;
    scanf("%d",&n);
    while(n)
    {
  for(m=1;;)
  {
   if(josef(n,m)==2)
    break;
   m++;
  }
  printf("%d\n",m);
  scanf("%d",&n);
  
    }
    return 0;
}

posted on 2010-04-25 00:33 原语饿狼 阅读(795) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 转载


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