算法:约瑟夫问题:01 来源:百度百科
https://baike.baidu.com/item/约瑟夫问题/3857719?fr=aladdin
约瑟夫问题问题来历
据说著名犹太历史学家 Josephus有过以下的故事:在罗马人占领乔塔帕特后,39 个犹太人与Josephus及他的朋友躲到一个洞中,39个犹太人决定宁愿死也不要被敌人抓到,于是决定了一个自杀方式,41个人排成一个圆圈,由第1个人开始报数,每报数到第3人该人就必须自杀,然后再由下一个重新报数,直到所有人都自杀身亡为止。然而Josephus 和他的朋友并不想遵从。首先从一个人开始,越过k-2个人(因为第一个人已经被越过),并杀掉第k个人。接着,再越过k-1个人,并杀掉第k个人。这个过程沿着圆圈一直进行,直到最终只剩下一个人留下,这个人就可以继续活着。问题是,给定了和,一开始要站在什么地方才能避免被处决?Josephus要他的朋友先假装遵从,他将朋友与自己安排在第16个与第31个位置,于是逃过了这场死亡游戏。
[1]
17世纪的法国数学家加斯帕在《数目的游戏问题》中讲了这样一个故事: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。
问题分析与算法设计
约瑟夫问题并不难,但求解的方法很多;题目的变化形式也很多。这里给出一种实现方法。
题目中30个人围成一圈,因而启发我们用一个循环的链来表示,可以使用结构数组来构成一个循环链。结构中有两个成员,其一为指向下一个人的指针,以构成环形的链;其二为该人是否被扔下海的标记,为1表示还在船上。从第一个人开始对还未扔下海的人进行计数,每数到9时,将结构中的标记改为0,表示该人已被扔下海了。这样循环计数直到有15个人被扔下海为止。
约瑟夫问题一般形式
编辑约瑟夫问题是个有名的问题:N个人围成一圈,从第一个开始报数,第M个将被杀掉,最后剩下一个,其余人都将被杀掉。例如N=6,M=5,被杀掉的顺序是:5,4,6,2,3,1。
分析:
(1)由于对于每个人只有死和活两种状态,因此可以用布尔型数组标记每个人的状态,可用true表示死,false表示活。
(2)开始时每个人都是活的,所以数组初值全部赋为false。
(3)模拟杀人过程,直到所有人都被杀死为止。
约瑟夫问题pascal代码1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | var a:array [1..20] of integer; n,m,i,j,k,n1,m1:integer;beginreadln(m,n);for i:=1 to m do a[i]:=i;m1:=m;n1:=1;while m1>0 dobegin j:=(n+n1-1-1) mod m1 +1; n1:=j; m1:=m1-1; writeln(a[j]); for k:=j to m1 do a[k]:=a[k+1];end;end. |
约瑟夫问题C++代码:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | #include<iostream>using namespace std;main(){ bool a[101]={0}; int n,m,i,f=0,t=0,s=0; cin>>n>>m; do { ++t;//逐个枚举圈中的所有位置 if(t>n) t=1;//数组模拟环状,最后一个与第一个相连 if(!a[t]) s++;//第t个位置上有人则报数 if(s==m)//当前报的数是m { s=0;//计数器清零 cout<<t<<' ';//输出被杀人编号 a[t]=1;//此处人已死,设置为空 f++;//死亡人数+1 } }while(f!=n);//直到所有人都被杀死为止} |
c++代码2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 | #include <iostream>#include <iomanip>#include <cmath>using namespace std;int main(){ int a[8],i,t,k; for(i=1;i<=8;i++) { a[i]=1; } t=8; k=0; while(t>0) { for(i=1;i<=8;i++) { if(a[i]==1) { k++; if(k==5) { k=0; a[i]=0; cout<<setw(3)<<i; t--; if(t==0) { break; } } } } } return 0;} |
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-1)mod n) 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 mod 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。
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
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) mod 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) mod i; (i>1)
有了这个公式,我们要做的就是从1-n顺序算出f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,程序也是异常简单:
约瑟夫问题pascal代码2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 | var n,m,i,s,p:integer; a:array[1..10000] of integer;begin read(n,m);//这步不用说了吧? for i:=1 to n do a[i]:=1;//先全部赋值1 p:=0;s:=0;//统计人数和报数字用的 repeat for i:=1 to n do begin if a[i]=0 then continue; //用于等会排除出圈者 s:=s+a[i];//不断累加(报数字) if s=m then//出圈者 begin write(i,' ');打印出圈者; a[i]:=0;//明白刚才continue的意思了吧 p:=p+1;//人数减少一个; s:=0;//重头报起. end; end; until p=n;//直到人数到了end. |
约瑟夫问题pascal代码3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 | Var a:array[1..100] of integer; n,m,i,j,p:integer;Begin write('Input n,m:'); readln(n,m); for i:=1 to n do a[i]:=i; p:=1; {p用于记录报数的位置} for i:=1 to n do begin j:=0; {j用于记录报到的人数} while j<m do begin if a[p]<>0 then j:=j+1; if p=n then p:=1 else p:=p+1; {处理边界情况} end; if p<>1 then begin write(a[p-1],' ');a[p-1]:=0;end {处理边界情况} else begin write(a[n],' ');a[n]:=0;end; end;end. |
约瑟夫问题pascal代码4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | Var a:array[1..100] of integer; n,m,p,i,j:integer;Begin readln(n,m); for i:=1 to n-1 do a[i]:=i+1; a[n]:=1; p:=n; for i:=1 to n do begin for j:=1 to m-1 do p:=a[p]; write(a[p],' '); a[p]:=a[a[p]]; end;End. |
约瑟夫问题c++
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | #include <iostream>using namespace std;const int m = 3;int main(){ int n, f = 0; cin >> n; for (int i = 1; i <= n; i++) f = (f + m) % i; cout << f + 1 << endl;} |
约瑟夫问题pascal代码5
1 2 3 4 5 6 7 8 | var n,m,i,s:integer;beginwrite('N M =');read(n,m);for i:=2 to n dos:=(s+m) mod i;writeln('The winner is ',s+1);end. |
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。
约瑟夫问题python代码
该程序基于python3.x实现
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 | #控制参数:nums = 41call = 3#参数定义:peoples = []for _ in range(nums): peoples.append(True)result = []num =1#主逻辑while(any(peoples)): for index,people in enumerate(peoples): if people: if num == call: peoples[index] = False result.append(index+1)# print(index+1)#每轮的出局者 # print(peoples)#每次的队列状态 num = 1 else: num += 1print('-'* 25)print('\n总数为%d,报数为%d' % (nums,call)) print('约瑟夫序列为:\n%s\n' % result) print('-'* 25) |
约瑟夫问题约瑟夫问题10e100版(from vijios)
描述 Description
n个人排成一圈。从某个人开始,按顺时针方向依次编号。从编号为1的人开始顺时针“一二一”报数,报到2的人退出圈子。这样不断循环下去,圈子里的人将不断减少。由于人的个数是有限的,因此最终会剩下一个人。试问最后剩下的人最开始的编号。
输入格式 Input Format
一个正整数n,表示人的个数。输入数据保证数字n不超过100位。
输出格式 Output Format
一个正整数。它表示经过“一二一”报数后最后剩下的人的编号。
样例输入 Sample Input
9
样例输出 Sample Output
3
时间限制 Time Limitation
各个测试点1s
注释 Hint
样例说明
当n=9时,退出圈子的人的编号依次为:
2 4 6 8 1 5 9 7
最后剩下的人编号为3
初见这道题,可能会想到模拟。可是数据实在太大啦!!
我们先拿手来算,可知n分别为1,2,3,4,5,6,7,8...时的结果是1,1,3,1,3,5,7,1...
有如下规律:从1到下一个1为一组,每一组中都是从1开始递增的奇数,且每组元素的个数分别为1,2,4...
这样就好弄了!!
大体思路如下:
①read(a)
②b:=1,c:=1{b为某一组的元素个数,c为累计所加到的数}
③while c<a do (b:=b*2,c:=b+c){超过目标时停止加数}
⑥c:=c-b{退到前一组}
⑦x:=a-c{算出目标为所在组的第几个元素}
⑧ans:=x*2-1{求出该元素}
⑨write(ans)
有了思路,再加上高精度就可以了。我写的代码比较猥琐,因为是先把上面的思路敲进去,再写过程,又把一些简单的过程合到主程序中了,所以有点乱,也有点猥琐。起提供思路的作用还是完全可以的吧~~~
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约瑟夫问题猴子选王
编辑约瑟夫问题问题表述
一. 问题描述:
一堆猴子都有编号,编号是1,2,3 ...m,这群猴子(m个)按照1-m的顺序围坐一圈,从第1开始数,每数到第N个,该猴子就要离开此圈,这样依次下来,直到圈中只剩下最后一只猴子,则该猴子为大王。
约瑟夫
"密码问题"
问题描述: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)。从指定
编号为1的人开始,按顺时针方向自1开始顺序报数,报到指定数M时停止报数,报M的人出列,并将
他的密码作为新的M值,从他在顺时针方向的下一个人开始,重新从1报数,依此类推,直至所有的
人全部出列为止。请设计一个程序求出出列的顺序,其中N≤30,M及密码值从键盘输入。
二. 基本要求:
(1) 输入数据:输入m,n m,n 为整数,n<m
(2)中文提示按照m个猴子,数n 个数的方法,输出为大王的猴子是几号 ,建立一个函数来实现此功能
约瑟夫问题编程解决
- 1.C程序
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- C语言程序2
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- C语言程序3: 用数组模拟链表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 | #include<stdio.h>#include<malloc.h>int main(){int *person,i,node,n,m;scanf("%d%d",&n,&m);person=(int*)malloc(sizeof(int)*(n+1));for(i=1;i<n;i++)//初始化圈{person[i]=i+1;//i表示编号为i的人,person[i]的值表示编号为i的人的下一个人的编号}person[n]=1;//编号为n的下一个人的编号是1node=1;while(node!=person[node])//如果某个人的下一个人不是自己,意味着人数超过1人{for(i=1;i<m-1;i++)//这个循环终止于被杀的人的前一个人{node=person[node];//下一个人的编号为node,node的值来自于前一个人的person[node]}printf("%d",person[node]);//输出被杀的人编号person[node]=person[person[node]];//修改被杀的人的前一个人的person[node]为被杀的人的后一个人的编号node=person[node];//这句话中的node是被杀的人后一个人}printf("%d",node);//输出最后幸存者的编号return 0;} |
- pascal程序:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | vara:array[1..10000]ofinteger;n,s,i,j:integer;beginread(m,n);fori:=1tomdoa[i]:=1;j:=0;fori:=1tomdobegins:=0;whiles<ndobeginifj<mtheninc(j)elsej:=1;s:=s+a[j];end;write(j);a[j]:=0;end;end. |
- c++程序
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | #include<iostream>#include<conio.h>using namespace std;main(){ int n,m,i,s=0; cout<<"N:";cin>>n; cout<<"M:";cin>>m; for(i=2;i<=n;i++) s=(s+m)%i; cout<<"新的大王是:"<<s+1; getch(); } |
- 约瑟夫数学算法
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | #include<stdio.h>#include<conio.h>intmain(void){intn,i=0,m,p;scanf("%d%d",&n,&m);//n总人数,m步长while(++i<=n){p=i*m;while(p>n)p=p-n+(p-n-1)/(m-1);printf("%d\n",p);}getch();return0;} |
- 约瑟夫递推算法
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | #include<iostream>usingnamespacestd;intking(intM,intN){intk=0;for(inti=2;i<=M;i++)k=(k+N)%i;return++k;}intmain(){intn,m;while(scanf("%d%d",&n,&m)&&n&&m){cout<<king(n,m)<<endl;}return0;} |
- 2、PHP模拟算法
php有非常完善的数据结构模拟方案,可以非常简洁的解决这样的问题!
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | function king($n,$m){ $monkey = range(1,$n);//模拟建立一个连续数组 $i=0; while(count($monkey)>1){ $i+=1;//开始查数 $head = array_shift($monkey);//直接一个一个出列最前面的猴子 if( $i%$m !=0 ){ array_push($monkey,$head);//如果没数到m或m的倍数,则把该猴放回尾部去. }//否则就抛弃掉了 } return $monkey[0];}echo'剩余',king(3,4),'号猴子'; |
3. Python遍历数组
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | def Monkey(n, M): if n == 0 or M == 1: #过滤两种特殊情况 return 0 L = list(map(list,list(enumerate([True] * n,start=1)))) #两种状态以布尔值表示 counter = 0 while [L[i][1] for i in range(len(L))].count(True) > 1: for i in range(len(L)): if L[i][1] == True: counter += 1 if counter % M == 0 and L[i][1] == True: L[i][1] = False return list(filter(lambda x:x[1] == True, L))[0][0] Monkey(2009, 3) |
约瑟夫问题笔算解决
笔算解决约瑟夫问题
在M比较小的时候 ,可以用笔算的方法求解,
M=2
即N个人围成一圈,1,2,1,2的报数,报到2就去死,直到只剩下一个人为止。
当N=2^k的时候,第一个报数的人就是最后一个死的,
对于任意的自然数N 都可以表示为N=2^k+t,其中t<n/2
于是当有t个人去死的时候,就只剩下2^k个人 ,这2^k个人中第一个报数的就是最后去死的。这2^k个人中第一个报数的人就是2t+1
于是就求出了当M=2时约瑟夫问题的解:
求出不大于N的最大的2的整数次幂,记为2^k,最后一个去死的人是2(N-2^k)+1
M=3
即N个人围成一圈,1,2,3,1,2,3的报数,报到3就去死,直到只剩下一个人为止。
此时要比M=2时要复杂的多
我们以N=2009为例计算
N=2009,M=3时最后被杀死的人记为F(2009,3),或者可以简单的记为F(2009)
假设这种情况下还剩下n个人,则下一轮将杀死[n/3]个人,[]表示小于等于这个数的最大整数,还剩下n-[n/3]个人
设这n个人为a1,a2,...,a(n-1),an
从a1开始报数,一圈之后,剩下的人为a1,a2,a4,a5,...a(n-n mod 3-1),a(n-n mod 3+1),..,an
于是可得:
1、这一轮中最后一个死的是a(n-n mod 3),下一轮第一个报数的是a(n-n mod 3+1)
2、若3|n,则最后死的人为新一轮的第F(n-[n/3])个人
若n mod 3≠0 且f(n-[n/3])<=n mod 3则最后死的人为新一轮的第n-[n/3]+F(n-[n/3])-(n mod 3)人
若n mod 3≠0 且f(n-[n/3])>n mod 3则最后死的人为新一轮的第F(n-[n/3])-(n mod 3)人
3、新一轮第k个人对应原来的第 3*[(k-1)/2]+(k-1)mod 2+1个人
综合1,2,3可得:
F(1)=1,F(2)=2,F(3)=2,F(4)=1,F(5)=4,F(6)=1,
当f(n-[n/3])<=n mod 3时 k=n-[n/3]+F(n-[n/3])-(n mod 3),F(n)=3*[(k-1)/2]+(k-1)mod 2+1
当f(n-[n/3])>n mod 3时 k=F(n-[n/3])-(n mod 3) ,F(n)=3*[(k-1)/2]+(k-1)mod 2+1
这种算法需要计算 [log(3/2)2009]次 这个数不大于22,可以用笔算了
于是:
第一圈,将杀死669个人,这一圈最后一个被杀死的人是2007,还剩下1340个人,
第二圈,杀死446人,还剩下894人
第三圈,杀死298人,还剩下596人
第四圈,杀死198人,还剩下398人
第五圈,杀死132人,还剩下266人
第六圈,杀死88人,还剩下178人
第七圈,杀死59人,还剩下119人
第八圈,杀死39人,还剩下80人
第九圈,杀死26人,还剩下54人
第十圈,杀死18人,还剩36人
十一圈,杀死12人,还剩24人
十二圈,杀死8人,还剩16人
十三圈,杀死5人,还剩11人
十四圈,杀死3人,还剩8人
十五圈,杀死2人,还剩6人
F(1)=1,F(2)=2,F(3)=2,F(4)=1,F(5)=4,F(6)=1,
然后逆推回去
F(8)=7 F(11)=7 F(16)=8 f(24)=11 f(36)=16 f(54)=23 f(80)=31 f(119)=43 f(178)=62 f(266)=89 f(398)=130
F(596)=191 F(894)=286 F(1340)=425 F(2009)=634
约瑟夫问题规律解决
对于经典约瑟父问题,视频中的解法是:
1)找出令等式
成立的最大的
,记为
2)求解出
3)所以,最后留下来的人的序号为
视频中给出的解释是:
当
时,序号为1的人总是是最后留下来的人。对于
,当去掉
个人后,剩下的人正好组成
个人围成的圈,此圈中的序号1的人将是最后留下来的人。而对应到原来的圈,这个人的序号就是
,因为去掉
个人时正好就跳过了
个人,而下一个人的序号就是
。
推广到猴子选王问题,从以上解法不难看出,解法就是把2换成N,即:
1)找出令等式
成立的最大的
,记为
2)求解出
3)所以,最后留下来的猴子的序号为
,mod是取余数,例如:3 mod 2 = 1
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m=8, N=3,8=3^1+5, 按照他的算法,此时N=3,l=5, 按照他的算法最后剩下来的是8,事实上很容易直接验算最后留下来的是7,上面的公式是错误的。

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