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约瑟夫环

王朝百科·作者佚名  2010-01-20
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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。

例如:n = 9, k = 1, m = 5

【解答】

出局人的顺序为5, 1, 7, 4, 3, 6, 9, 2, 8。

链表方法这个就是约瑟夫环问题的实际场景,有一种是要通过输入n,m,k三个正整数,来求出列的序列。这个问题采用的是典型的循环链表的数据结构,就是将一个链表的尾元素指针指向队首元素。 p->link=head

解决问题的核心步骤:

1.建立一个具有n个链结点,无头结点的循环链表

2.确定第1个报数人的位置

3.不断地从链表中删除链结点,直到链表为空

void JOSEPHUS(int n,int k,int m) //n为总人数,k为第一个开始报数的人,m为出列者喊到的数

{

/* p为当前结点 r为辅助结点,指向p的前驱结点 list为头节点*/

LinkList p,r,list;

/*建立循环链表*/

for(int i=0,i<n,i++)

{

p=(LinkList)malloc(sizeof(LNode));

p->data=i;

if(list==NULL)

list=p;

else

r->link=p;

r=p;

}

p->link=list; /*使链表循环起来*/

p=list; /*使p指向头节点*/

/*把当前指针移动到第一个报数的人*/

for(i=0;i<k;i++)

{

r=p;

p=p->link;

}

/*循环地删除队列结点*/

while(p->link!=p)

{

for(i=0;i<m-1;i++)

{

r=p;

p=p->link;

}

r->link=p->link;

printf("被删除的元素:%4d ",p->data);

free(p);

p=r->link;

}

printf("

最后被删除的元素是:%4d",P->data);

}

Josephus(约瑟夫)问题的数学方法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)%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%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>

intmain(void)

{

intn, 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

", s+1);

return 0 ;

}

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。

解决Josephus(约瑟夫)问题的pascal代码

program Josephus(input,output);

type pointer=^nodetype;

nodetype=record

data:integer;

link:pointer

end;

var head,next,last:pointer;

i,n,s,j,m,k:integer;

begin

writeln('请输入组成约瑟夫环的人数:');

read(n);

new(head);

head^.data :=1;

last:=head;

for i:=2 to n do

begin

new(next);

next^.data :=i;

last^.link :=next;

last:=next

end;

last^.link :=head;

next:=head;

repeat

begin

writeln(next^.data );

next:=next^.link

end;

until next=head;

readln;

next:=head;

writeln('请输入第一个报数人的位置:');

read(s);

j:=1;

if s<=n

then

while j<s do

begin

next:=next^.link ;

j:=j+1

end

else writeln('你的输入有误');

writeln('请输入出列人的位置:');

read(m);

while next^.link <>next do

begin

k:=1;

while k<m do

begin

last:=next;

next:=next^.link ;

k:=k+1

end;

writeln(next^.data );

last^.link :=next.link ;

next:=next^.link

end;

writeln(next^.data );

readln;

readln

end.

 
 
 
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