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问题描述:约瑟夫环(Josephus)问题是[1]由古罗马的史学家约瑟夫(Josephus)提出的,他参加并记录了公元66—70年犹太人反抗罗马的起义。约瑟夫作为一个将军,设法守住了裘达伯特城达47天之久,在城市沦陷之后,他和40名死硬的将士在附近的一个洞穴中避难。在那里,这些叛乱者表决说“要投降毋宁死”。于是,约瑟夫建议每个人轮流杀死他旁边的人,而这个顺序是由抽签决定的。约瑟夫有预谋地抓到了最后一签,并且,作为洞穴中的两个幸存者之一,他说服了他原先的牺牲品一起投降了罗马。
约瑟夫环问题的具体描述是:设有编号为1,2,……,n的n(n>0)个人围成一个圈,从第1个人开始报数,报到m时停止报数,报m的人出圈,再从他的下一个人起重新报数,报到m时停止报数,报m的出圈,……,如此下去,直到所有人全部出圈为止。
现在有两个具体的问题:
1、当任意给定n和m后,设计算法求n个人出圈的次序。
2、求出最后出圈的那个人的序号。
解答:
1、我尝试着用数学方法来解决这个问题,但是没找到比较好的解法(主要是某个序号在前一阶段已经被删除了,这点不好记录)。因此还是用程序来解决吧。网上的代码很多,大意是构造一个循环链表,每经过一个数组元素,则将计数器数加1.当计数器加到m时,移除该链表元素,将计数器置为0,继续往下数。直到链表长度为1.移除元素的顺序即为n个人除权的次序。算法复杂度为O(nm).
2、这个问题可以用第一个问题的最后出列的序号来求解。但从数学上有更好的解法。每次去除一个元素后,将剩下的元素重新排序,用倒推的方法求出下一个出圈的元素在上一轮中的序号。从倒数第一轮一直推到第一轮,就能够直到胜利的那个元素的原先的序号。详情如下[1]:
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>
main()
{
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).
[1]http://chenchuxin.iteye.com/blog/173518