整数分解为2的幂-清华复试上机题

题目:

任何数都能分解成2的幂,给定整数n,求n的此类划分方法的数量!

比如n = 7时。

7=1+1+1+1+1+1+1
  =1+1+1+1+1+2
  =1+1+1+2+2
  =1+2+2+2
  =1+1+1+4
  =1+2+4

共有6种划分方法。

解法:

来自:http://www.cnblogs.com/skyiv/archive/2010/03/27/1698550.html

记f(n)为n的划分数,我们有递推公式:
f(2m + 1) = f(2m),
f(2m) = f(2m - 1) + f(m),
初始条件:f(1) = 1。


证明:

证明的要点是考虑划分中是否有1。

记:
A(n) = n的所有划分组成的集合,
B(n) = n的所有含有1的划分组成的集合,
C(n) = n的所有不含1的划分组成的集合,
则有: A(n) = B(n)∪C(n)。

又记:
f(n) = A(n)中元素的个数,
g(n) = B(n)中元素的个数,
h(n) = C(n)中元素的个数,
易知: f(n) = g(n) + h(n)。

以上记号的具体例子见文末。


我们先来证明: f(2m + 1) = f(2m),
首先,2m + 1 的每个划分中至少有一个1,去掉这个1,就得到 2m 的一个划分,故 f(2m + 1)≤f(2m)。
其次,2m 的每个划分加上个1,就构成了 2m + 1 的一个划分,故 f(2m)≤f(2m + 1)。
综上,f(2m + 1) = f(2m)。

接着我们要证明: f(2m) = f(2m - 1) + f(m),
把 B(2m) 中的划分中的1去掉一个,就得到 A(2m - 1) 中的一个划分,故 g(2m)≤f(2m - 1)。
把 A(2m - 1) 中的划分加上一个1,就得到 B(2m) 中的一个划分,故 f(2m - 1)≤g(2m)。
综上,g(2m) = f(2m - 1)。

把 C(2m) 中的划分的元素都除以2,就得到 A(m) 中的一个划分,故 h(2m)≤f(m)。
把 A(m) 中的划分的元素都乘2,就得到 C(2m) 中的一个划分,故 f(m)≤h(2m)。
综上,h(2m) = f(m)。

所以: f(2m) = g(2m) + h(2m) = f(2m - 1) + f(m)。                                            

这就证明了我们的递推公式。


记 f(0) = 1,根据递推公式,可以得到:
f(2m) = f(0) + f(1) + ... + f(m)。

一些例子:

A(3) = {
  (1,1,1)
  (1,2)
},
f(3) = 2,

A(4) = {
 (1,1,1,1)
  (1,1,2)
  (2,2)
  (4)
},
f(4) = 4,

A(5) = {
 (1,1,1,1,1)
  (1,1,1,2)
  (1,2,2)
  (1,4)
},
f(5) = 4,

A(6) = {
 (1,1,1,1,1,1)
  (1,1,1,1,2)
  (1,1,2,2)
  (1,1,4)
  (2,2,2)
  (2,4)
},
f(6) = 6,

B(6) = {
 (1,1,1,1,1,1)
  (1,1,1,1,2)
  (1,1,2,2)
  (1,1,4)
},
g(6) = 4,

C(6) = {
  (2,2,2)
  (2,4)
},
h(6) = 2.

当n=10^12时:

参考:http://www.51nod.com/answer/index.html#!answerId=159

对于n = 10^12......一个连6次幂都讲不清楚的人,怎么可能讲明白12次幂呢?其实这个问题有很多人研究过,叫做““the binary partition function””,论文也不少。包括Knuth,也研究过这个函数的增长。我只能简单的说一下,要想获得更快的算法,首先就要摆脱上面的那个递推,回到最原始的DP.
 
既然f(2m) = f(2m + 1),我们可以只考虑f(2m)的情况,并定义一个新的函数g(m) = f(2m),并且
g(2m) = 2g(1) + 2g(2) + ....... 2g(m-1) + g(m)
g(2m + 1) = 2g(1) + 2g(2) + ....... 2g(m-1) + 2g(m)
 
其实计算过小规模数据的人都会发现,这个函数g是很奇怪的,当2 ^k -1 < n < 2^k时,g(n)可以写为一个关于n的k次幂的多项式,其实形成这个情况的原因在于,设f(n,k)表示把n划分为不大于2^k的组合的数量,f(n,k) = f(n - 2^k, k -1) + f(n-2*2^k,k-1) + f(n-3*2^k,k-1) + ......这个分解相当于分别选中1- m个2^k,剩下的都低于2^k,情况如下面的表。
 
整数分解为2的幂-清华复试上机题_第1张图片
 
 有了这个基础,我们可以利用多项式求和公式,来求一个通项公式,用这个通项可以求这个表中的值,用若干表中的值可以算出最后的结果。
整数分解为2的幂-清华复试上机题_第2张图片
 
这是一位外国友人的论文中的一段,想真正搞明白这个问题,大家可以搜索一下这篇论文
 
Algorithmic approach to counting of certain types m-ary partitions
Valentin P. Bakoev
 
真心感谢这位外国哥们.
 
多项式的方法大概思路就是先求1阶的情况,然后得出1项,然后对1项求和,得出2项,对2项分别求和
 分别得出3项和2项,合并后得到3项......一直到得出k项。总的来讲是个O(log(n)^3)的方法。这个方法还有个小的优化,就是多项式求和在某些情况合并之后,可以通过C(m.n)来计算,但总的复杂度没有变化,只是程序逻辑简单一些。

代码,数比较大,java搞定

import java.io.InputStreamReader;
import java.math.BigInteger;
import java.util.Scanner;


public class nod1047 {

	/**
	 * @param args
	 */
	public static void main(String[] args) {
		// TODO Auto-generated method stub
		Scanner cin = new Scanner(new InputStreamReader(System.in));
		BigInteger []num = new BigInteger[1000002];
		num[1] = BigInteger.valueOf(1);
		int n = cin.nextInt();
		for(int i = 2; i <= n; ++ i)
		{
			if(i%2 == 0)
			{
				num[i] = num[i-1].add(num[i/2]);
			}
			else {
				num[i] = num[i-1];
			}
		}
		System.out.println(num[n]);
	}

}



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