求约瑟夫环问题最后胜利者的一般解法以及数学推导方法

问题描述:

约瑟夫环问题(Josephus)
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。

解法一:

思路:建立一个有N个元素的循环链表,然后从链表表头遍历并记数,如果计数i==m(i初始为1)删除元素,依次类推,若当前元素等于该元素链接的下一元素时终止循环。


解法二:

用数学归纳法递推。

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),若nm非常大,无法在短时间内计算出结果。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],程序也是非常简单:

#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 (
"\nThe winner is %d\n", s+1);
}

 

这个算法的时间复杂度为O(n),空间复杂度为常数。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。

 

 

posted on 2009-10-27 12:43  CLive Studio  阅读(...)  评论(...编辑  收藏

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