编程之美-不要被阶乘吓到

题目

1、给定一个整数N,那么阶乘N!末尾有多少个0呢?

2、求N!的二进制表示中最低位1的位置?

先来看怎么计算阶乘,当然可以是循环,也可以是递归,上代码:

public long factorial1(int n) {
    	long sum = 1;
    	for (int i = 1; i <= n; i++) {
    		sum *= i;
    	}
    	return sum;
    }
    
    public long factorial2(int n) {
    	if (n == 1) {
    		return n;
    	}
    	return n*factorial2(n-1);
    }
两种方法都比较简单。但是很明显如果本题也这样计算的话,明显long型会溢出,并且时间复杂度也比较高。那怎么办?

问题1
解法一

N个自然数相乘,结尾0的个数,依赖有多少个10相乘,而多少个10则依赖与因子中2的个数和5的个数,而对于连续的自然数来说,2出现的频率比5高的多,所以最终只需要计算出因子中5的个数,即为答案。

public int trailingZeroes1(int n) {
    	int count = 0;
    	for (int i = 1; i <= n; i++) {
    		int temp = i;
    		while (temp%5 == 0) {
    			count++;
    			temp /= 5;
    		}
    	}
    	return count;
    }
当然你可以优化,把i的初始值设置为5,每次递增也为5。但是还是不够高效

解法二

令f(x)表示正整数x末尾所含有的“0”的个数,则有: 
      当0 < n < 5时,f(n!) = 0; 
      当n >= 5时,f(n!) = k + f(k!), 其中 k = n / 5(取整)

数据功底比较好的可以去证明一下,我就不证明了,上代码:

public int trailingZeroes2(int n) {
    	return n == 0 ? 0 : n / 5 + trailingZeroes2(n / 5);
    }
就是这么简练。
解法三

还是计算5的个数:

公式:Z = [N/5] +[N/52] +[N/53] + …(不用担心这会是一个无穷的运算,因为总存在一个K,使得5K > N,[N/5K]=0。)

公式中,[N/5]表示不大于N的数中5的倍数贡献一个5,[N/52]表示不大于N的数中52的倍数再贡献一个5,……代码如下:

public int trailingZeroes3(int n) {
    	int count = 0;
    	while (n != 0) {
    		count += n/5;
    		n /= 5;
    	}
    	return count;
    }


问题2

要求的是N!的二进制表示中最低位1的位置。给定一个整数N,求N!二进制表示的最低位1在第几位?例如:给定N = 3,N!= 6,那么N!的二进制表示(1 010)的最低位1在第二位。

为了得到更好的解法,首先要对题目进行一下转化。
首先来看一下一个二进制数除以2的计算过程和结果是怎样的。
把一个二进制数除以2,实际过程如下:
判断最后一个二进制位是否为0,若为0,则将此二进制数右移一位,即为商值(为什么);反之,若为1,则说明这个二进制数是奇数,无法被2整除(这又是为什么)。
所以,这个问题实际上等同于求N!含有质因数2的个数。即答案等于N!含有质因数2的个数加1。


public int lowestOne1(int n) {
    	int count = 0;
    	while (n != 0) {
    		n >>= 1;
    		count += n;
    	}
    	return count;
    }


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