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  • 算法系列:约瑟夫斯问题

     

    约瑟夫斯问题(有时也称为约瑟夫斯置换),是一个出现在计算机科学数学中的问题。在计算机编程的算法中,类似问题又称为约瑟夫环。

    {displaystyle n}n个囚犯站成一个圆圈,准备处决。首先从一个人开始,越过{displaystyle k-2}k-2个人(因为第一个人已经被越过),并杀掉第k个人。接着,再越过{displaystyle k-1}k-1个人,并杀掉第k个人。这个过程沿着圆圈一直进行,直到最终只剩下一个人留下,这个人就可以继续活着。

    问题是,给定了{displaystyle n}n{displaystyle k}k,一开始要站在什么地方才能避免被处决?

     

     

    历史[编辑]

    这个问题是以弗拉维奥·约瑟夫斯命名的,它是1世纪的一名犹太历史学家。他在自己的日记中写道,他和他的40个战友被罗马军队包围在洞中。他们讨论是自杀还是被俘,最终决定自杀,并以抽签的方式决定谁杀掉谁。约瑟夫斯和另外一个人是最后两个留下的人。约瑟夫斯说服了那个人,他们将向罗马军队投降,不再自杀。约瑟夫斯把他的存活归因于运气或天意,他不知道是哪一个。[1]

    解法[编辑]

    比较简单的做法是用循环单链表模拟整个过程,时间复杂度是O(n*m)。如果只是想求得最后剩下的人,则可以用数学推导的方式得出公式。且先看看模拟过程的解法。

    Python版本[编辑]

    # -*- coding: utf-8 -*- 
    class Node(object):
    	def __init__(self, value):
    		self.value = value 
    		self.next = None
    
    def create_linkList(n):
    	head = Node(1)
    	pre = head
    	for i in range(2, n+1):
    		newNode = Node(i)
    		pre.next= newNode
    		pre = newNode
    	pre.next = head
    	return head
    
    n = 5 #总的个数
    m = 2 #数的数目
    if m == 1: #如果是1的话,特殊处理,直接输出
    	print n  
    else:
    	head = create_linkList(n)
    	pre = None
    	cur = head
    	while cur.next != cur: #终止条件是节点的下一个节点指向本身
    		for i in range(m-1):
    			pre =  cur
    			cur = cur.next
    		print cur.value
    		pre.next = cur.next
    		cur.next = None
    		cur = pre.next
    	print cur.value
    

    C++版本[编辑]

    #include <iostream>
    using namespace std;
    typedef struct _LinkNode {
    	int value;
    	struct _LinkNode* next;
    } LinkNode, *LinkNodePtr;
    
    LinkNodePtr createCycle(int total) {
    	int index = 1;
    	LinkNodePtr head = NULL, curr = NULL, prev = NULL;
    	head = (LinkNodePtr) malloc(sizeof(LinkNode));
    	head->value = index;
    	prev = head;
    
    	while (--total > 0) {
    		curr = (LinkNodePtr) malloc(sizeof(LinkNode));
    		curr->value = ++index;
    		prev->next = curr;
    		prev = curr;
    	}
    	curr->next = head;
    	return head;
    }
    
    void run(int total, int tag) {
    	LinkNodePtr node = createCycle(total);
    	LinkNodePtr prev = NULL;
    	int start = 1;
    	int index = start;
    	while (node && node->next) {
    		if (index == tag) {
    			printf("
    %d", node->value);
    			if (tag == start) {
    				prev = node->next;
    				node->next = NULL;
    				node = prev;
    			} else {
    				prev->next = node->next;
    				node->next = NULL;
    				node = prev->next;
    			}
    			index = start;
    		} else {
    			prev = node;
    			node = node->next;
    			index++;
    		}
    	}
    }
    int main() {
    	run(5, 999999);
    	return 0;
    }
    

    数学推导解法[编辑]

    我们将明确解出{displaystyle k=2}k=2时的问题。对于{displaystyle k eq 2}k
eq 2的情况,我们在下面给出一个一般的解法。

    {displaystyle f(n)}f(n)为一开始有{displaystyle n}n个人时,生还者的位置(注意:最终的生还者只有一个)。走了一圈以后,所有偶数号码的人被杀。再走第二圈,则新的第二、第四、……个人被杀,等等;就像没有第一圈一样。如果一开始有偶数个人,则第二圈时位置为{displaystyle x}x的人一开始在第{displaystyle 2x-1}2x-1个位置。因此位置为{displaystyle f(2n)}f(2n)的人开始时的位置为{displaystyle 2f(n)-1}2f(n)-1。这便给出了以下的递推公式:

    {displaystyle f(2n)=2f(n)-1.\,}f(2n)=2f(n)-1.\,

    如果一开始有奇数个人,则走了一圈以后,最终是号码为1的人被杀。于是同样地,再走第二圈时,新的第二、第四、……个人被杀,等等。在这种情况下,位置为{displaystyle x}x的人原先位置为{displaystyle 2x+1}2x+1。这便给出了以下的递推公式:

    {displaystyle f(2n+1)=2f(n)+1.\,}f(2n+1)=2f(n)+1.\,

    如果我们把{displaystyle n}n{displaystyle f(n)}f(n)的值列成表,我们可以看出一个规律:

    {displaystyle n}n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
    {displaystyle f(n)}f(n) 1 1 3 1 3 5 7 1 3 5 7 9 11 13 15 1

    从中可以看出,{displaystyle f(n)}f(n)是一个递增的奇数数列,每当n是2的幂时,便重新从{displaystyle f(n)=1}f(n)=1开始。因此,如果我们选择m和l,使得{displaystyle n=2^{m}+l}n=2^{m}+l{displaystyle 0leq l<2^{m}}0leq l<2^{m},那么{displaystyle f(n)=2cdot l+1}f(n)=2cdot l+1。注意:2^m是不超过n的最大幂,l是留下的量。显然,表格中的值满足这个方程。我们用数学归纳法给出一个证明。

    定理:如果{displaystyle n=2^{m}+l}n=2^{m}+l{displaystyle 0leq l<2^{m}}0leq l<2^{m},则{displaystyle f(n)=2l+1}f(n)=2l+1

    证明:对{displaystyle n}n应用数学归纳法{displaystyle n=1}n=1的情况显然成立。我们分别考虑{displaystyle n}n是偶数和{displaystyle n}n是奇数的情况。

    如果{displaystyle n}n是偶数,则我们选择{displaystyle l_{1}}l_{1}{displaystyle m_{1}}m_{1},使得{displaystyle n/2=2^{m_{1}}+l_{1}}n/2=2^{{m_{1}}}+l_{1},且{displaystyle 0leq l_{1}<2^{m_{1}}}0leq l_{1}<2^{{m_{1}}}。注意{displaystyle l_{1}=l/2}l_{1}=l/2。我们有{displaystyle f(n)=2f(n/2)-1=2((2l_{1})+1)-1=2l+1}f(n)=2f(n/2)-1=2((2l_{1})+1)-1=2l+1,其中第二个等式从归纳假设推出。

    如果{displaystyle n}n是奇数,则我们选择{displaystyle l_{1}}l_{1}{displaystyle m_{1}}m_{1},使得{displaystyle (n-1)/2=2^{m_{1}}+l_{1}}(n-1)/2=2^{{m_{1}}}+l_{1},且{displaystyle 0leq l_{1}<2^{m_{1}}}0leq l_{1}<2^{{m_{1}}}。注意{displaystyle l_{1}=(l-1)/2}l_{1}=(l-1)/2。我们有{displaystyle f(n)=2f((n-1)/2)+1=2((2l_{1})+1)+1=2l+1}f(n)=2f((n-1)/2)+1=2((2l_{1})+1)+1=2l+1,其中第二个等式从归纳假设推出。证毕。

    答案的最漂亮的形式,与{displaystyle n}n的二进制表示有关:把{displaystyle n}n的第一位移动到最后,便得到{displaystyle f(n)}f(n)。如果{displaystyle n}n的二进制表示为{displaystyle n=b_{0}b_{1}b_{2}b_{3}dots b_{m}}n=b_{0}b_{1}b_{2}b_{3}dots b_{m},则{displaystyle f(n)=b_{1}b_{2}b_{3}dots b_{m}b_{0}}f(n)=b_{1}b_{2}b_{3}dots b_{m}b_{0}。这可以通过把{displaystyle n}n表示为{displaystyle 2^{m}+l}2^{m}+l来证明。

    在一般情况下,这个问题的最简单的解决方法是使用动态规划。利用这种方法,我们可以得到以下的递推公式:

    {displaystyle f(n,k)=(f(n-1,k)+k){mod {n}}}f(n,k)=(f(n-1,k)+k){mod  n}{displaystyle f(1,k)=0}f(1,k)=0

    如果考虑生还者的号码从{displaystyle n-1}n-1{displaystyle n}n是怎样变化的,则这个公式是明显的。这种方法的运行时间{displaystyle O(n)}O(n),但对于较小的{displaystyle k}k和较大的{displaystyle n}n,有另外一种方法,这种方法也用到了动态规划,但运行时间为{displaystyle O(klog n)}O(klog n)。它是基于把杀掉第k、2k、……、2{displaystyle lfloor n/k floor }lfloor n/k
floor 个人视为一个步骤,然后把号码改变。

    程式实现

    #include <iostream>
    using namespace std;
    //編號從0開始,也就是說如果編號從1開始結果要加1
    int josephus(int n, int k) { //非遞回版本
    	int s = 0;
    	for (int i = 2; i <= n; i++)
    		s = (s + k) % i;
    	return s;
    }
    int josephus_recursion(int n, int k) { //遞回版本
    	return n > 1 ? (josephus_recursion(n - 1, k) + k) % n : 0;
    }
    int main() {
    	for (int i = 1; i <= 100; i++)
    		cout << i << ' ' << josephus(i, 5) << ' ' << josephus_recursion(i, 5) << endl;
    	return 0;
    }
    

    注释[编辑]

    1. ^ The War of the Jews 3.387-391

    参考文献[编辑]

    外部链接[编辑]

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