约瑟夫环问题的两个方法

  约瑟夫环是一个数学的应用问题:已知n个人(以编号1,2,3…n分别表示)围坐在一张圆桌周围。从编号为k的人开始报数,数到m的那个人出列;他的下一个人又从1开始报数,数到m的那个人又出列;依此规律重复下去,直到圆桌周围的人全部出列。

 

下面来一个具体的情景:

  有M个敢死队员要炸掉敌人的一碉堡,谁都不想去,排长决定用轮回数数的办法来决定哪个战士去执行任务。如果前一个战士没完成任务,则要再派一个战士上去。现给每个战士编一个号,大家围坐成一圈,随便从某一个战士开始计数,当数到5时,对应的战士就去执行任务,且此战士不再参加下一轮计数。如果此战士没完成任务,再从下一个战士开始数数,被数到第5时,此战士接着去执行任务。以此类推,直到任务完成为止。指出最后一个去的人。

方法一:直接用顺序表模拟:

 1 /*===========================================================================*\  2  * 约瑟夫环问题  3  *  4  * 方法一:用顺序表直接模拟  5  *  6  * 2013-05-20 by 樊列龙  7  *  8 \*===========================================================================*/
 9 
10 #include <stdio.h>
11 #include <stdlib.h>
12 #include <malloc.h>
13 
14 typedef int ElemType; 15 
16 typedef struct         /* 定义数据结构体类型*/
17 { 18     ElemType *elem;    /* 存储空间基址*/
19     int length;        /* 当前长度*/
20     int listsize;      /* 当前分配的存储容量(以sizeof(ElemType)为单位)*/
21 } SqList, *SqListPtr; 22 
23 /* 初始化 */
24 void init_sql(SqListPtr L) 25 { 26     printf("Please input the tatal of the team:"); 27     scanf("%d",&L->listsize);        /*输入敢死队员总数*/
28 
29     L->elem = (ElemType *)malloc((L->listsize+1) * sizeof(ElemType)); 30     if(! L->elem) 31  { 32         printf("分配内存失败\n"); 33         exit(0);  /*存储分配失败*/
34  } 35     else
36  { 37         L->length = L->listsize; 38         int i; 39         for(i = 1; i <= L->listsize; i++) 40  { 41             (L->elem)[i] = i; 42  } 43  } 44 } 45 
46 /* 删除第pos位成员 */
47 int delete_menber(SqListPtr L, int pos) 48 { 49     int i = pos; 50     int d = L->elem[pos]; 51     for(; i <= L->length; i++) 52  { 53         L->elem[i] = L->elem[i+1]; 54  } 55     L->length--; 56     
57     return d; 58 } 59 
60 int performTask(SqListPtr L) 61 { 62     int i = 1, count = 1,d; 63     for(i = 1; L->length > 1;) 64  { 65         if(count == 5) 66  { 67             count = 1; 68             d = delete_menber(L,i); 69             printf("第 %d 号去执行任务\n", d ); 70  } 71         else
72  { 73             count++; 74             i++; 75  } 76         if(i > L->length) 77  { 78             i = 1; 79  } 80  } 81 } 82 
83 int main() 84 { 85     SqListPtr L = (SqListPtr)malloc(sizeof(SqList)); 86  init_sql(L); 87     
88  performTask(L); 89     printf("最后剩下的人 %d 号\n",L->elem[1]); 90     
91     return 0; 92 }

方法二:

解法二(From Net):
      思想:归纳为数学性问题。原文说的很好,还是直接Copy吧,因为搜索半天也没有找到原作者,所以无法添加引用地址了,如果这位大哥看到这里,请告知与我,小弟立刻加入引用链接:)

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-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],程序也是异常简单:

 1 #include <stdio.h>
 2  int main()
 3  {
 4      int n, m, i, s = 0;
 5      printf ("N M = ");
 6      scanf("%d%d", &n, &m);
 7      for (i = 2; i <= n; i++)
 8      {
 9          s = (s + m) % i;
10      }
11      printf ("\nThe winner is %d\n", s+1);
12  }

 

    原文作者:Cocoon
    原文地址: https://www.cnblogs.com/CocoonFan/archive/2013/05/21/3089977.html
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