约瑟夫(josephus)环:假设有n个小孩坐成一个环,并且从第一个小孩开始数, 如果数到m个小孩,则该小该离开,问最后留下的小孩是第几个小孩?
例如:总共有6个小孩,围成一圈,从第一个小孩开始,每次数2个小孩。
游戏情况如下: 小孩序号:1,2,3,4,5,6 离开小孩序号:2,4,6,3,1 最后获胜小孩序号:5
1、简单办法:(如果只要求输出最后获胜的小孩编号,以下办法可以采用---具体数学第一章有一节专门讲这个的)
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%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-3 --> n-3 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)%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=(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: #include <stdio.h> int main(void) { 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。
2、以下用链表处理约瑟夫环问题(代码仅为参考,没设置密码位,即至始至终m值是不变的)
如果题目要求每个人手里有一个密码,当这个人离开时,他应该将自己的密码赋值给m,然后输出自己,那么法一实现起来就并不那么容易了。这是使用单循环链表无疑是一个非常不错的选择。
单循环链表,模拟了人的组织结构----一圈,并且不需要因为哪个人被踢出去,改变已有的组织结构(只需要动态删除即可),也不需要设置标志位。
对于链表中的每个人,我们可以考虑给其一个结构,内含有这个人的编号,以及密码。当然,我们也可以设置一个全局的结构保存,共有多少个人,已经出去了多少人,为了后来新的需求:假设剩下k个人后,程序就停止。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int k=0,n=0,s=0,m=0; //k为1,2,3报数时的计数变量,m为退出人数 int num [100]; int *p=num; int i; printf("Enter the number of person and the key:"); scanf("%d%d",&n,&s); for (i=0; i<n; ++i) { *(p+i)=i+1; //以1至n为序给每个人编号 } i = 0; while (m<(n-1)) //当未退出人数大于1时执行循环体 (n-m) > 1 { if (*(p+i)!=0) k++; if (k==s) //对退出的人编号置为0 { printf("%d/n",*(p+i)); *(p+i)=0; k = 0; m++; } i++; if (n==i) i = 0; //报数到尾后,i恢复为0 } while (*p==0) p++; printf("The last one is :%d/n",*p); system("PAUSE"); return 0; } ====================================================== #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <malloc.h> /* 结构体和函数声明 */ typedef struct _node_t { int n_num; struct _node_t *next; } node_t; node_t *node_t_create(int n); node_t *node_t_get(node_t **pn, int m); node_t * node_t_create(int n) { node_t *p_ret = NULL; if (0 != n) { int n_idx = 1; node_t *p_node = NULL; /* 构造 n 个 node_t */ p_node = (node_t *) malloc(n * sizeof(node_t)); if (NULL == p_node) return NULL; else memset(p_node, 0, n * sizeof(node_t)); /* 内存空间 申请 成功 */ p_ret = p_node; for (; n_idx < n; n_idx++) { p_node->n_num = n_idx; p_node->next = p_node + 1; p_node = p_node->next; } p_node->n_num = n; p_node->next = p_ret; } return p_ret; } int main() { int n, m; node_t *p_list, *p_iter; printf("Please enter the total and the key :"); scanf("%d%d",&n,&m); printf("The total num is : %d /nThe key is : %d /n",n,m); /* 构造环形单向链表 */ p_list = node_t_create(n); /* Josephus 循环取数 */ p_iter = p_list; m %= n; while (p_iter != p_iter->next) { int i = 1; /* 取到第 m-1 个节点 */ for (; i < m - 1; i++) { p_iter = p_iter->next; } /* 输出第 m 个节点的值 */ printf("%d ", p_iter->next->n_num); /* 从链表中删除第 m 个节点 */ p_iter->next = p_iter->next->next; p_iter = p_iter->next; } printf("%d ", p_iter->n_num); /* 释放 申请 的空间 */ free(p_list); system("PAUSE"); }