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  • 谷歌面试题-丢鸡蛋

    问题:
    有一栋楼,共100层。
    定义:鸡蛋在第n层楼扔下,不会碎,第n+1层扔下,会碎,那么第n层就叫临界楼层
    你手中有两个鸡蛋(默认理想状态:两个鸡蛋完全相同),如何优化尝试策略,使得使用最少次数,测出临界楼层
    即,使用此策略,最差也可以在多少次以内测出临界楼层
    
    (ps:假定鸡蛋一定会在某层楼下落后碎掉)

    解题思路:

    注意:手中只有俩鸡蛋,必须要保证全碎之前测试出临界楼层

    1. 为了不让鸡蛋碎掉,我们从一楼开始测试,这样只需要一个鸡蛋,当到达临界楼层的上一层n+1时,我们可以得出,n层是临界楼层,这是最原始的方法,遍历。

    这种策略最糟糕的情况会是测试到100楼鸡蛋才会碎,测试次数是100次,临界楼层是99楼。最好的情况是测试到2楼鸡蛋就碎了,测试次数是2次,临界楼层是1层。

    2. 我们手中有俩鸡蛋,为了充分利用条件,我们可以利用第一个鸡蛋来缩小范围。

    我们可以先跑到50楼去扔,没碎的话,我们再去75楼去扔···直到第一个鸡蛋碎掉。

    如果我们从50楼扔,没碎,说明50楼以下是安全的,50楼以上还有50楼,那我们再去上面的50楼的一半——75楼去扔,在75楼碎了,说明临界楼层在50层~74层之间,我们就利用第二个鸡蛋,遍历51层到74层。这是运用二分法。

    这种策略最糟糕的情况会是50层鸡蛋就碎了,49层是临界楼层,测试次数是1+49次,临界楼层是99楼。最好的情况是1楼是临界楼层,测试次数是1+2次。

    3. 还有没有更好的办法呢?我们手中有两个鸡蛋,尝试使每个鸡蛋的测试任务大致相当,即给100开个平方根,第一个鸡蛋只测试整十楼层,第二个鸡蛋测试两个整十楼层之间的楼层。我们可以先测10楼,20楼,30楼···,直到第一个鸡蛋碎掉。

    如果我们测到30楼,第一个鸡蛋碎了,那我们就用第二个鸡蛋遍历测试21~29楼。

    这种策略最糟糕的情况会是99层是临界楼层,测试次数是10+9次。最好的情况是1楼是临界楼层,测试次数是1+2次。

    4. 这个时候我们产生了疑问,第三种方法是最好的策略吗?我们怎么验证呢?

    验证这种事情,我们肯定要借助数学工具了

    首先,我们我们假定存在一种最优策略,最多n次测试就能找到临界楼层

    那么,最糟糕的状况会是哪一种呢?

    从上面的分析可以看出,测试次数分为两部分

    第一颗鸡蛋的测试次数x,用来缩小范围

    第二颗鸡蛋用来在小范围内查找临界楼层y

    x+y=n

    那么当测试次数固定为n时,每当x增加1,y则减少1

    即,每当第一颗鸡蛋测试一次,那么所留给第二颗鸡蛋探查的范围就应该减少1

    此处内容用于帮助各位理解:

    如果n=10,那么第一次探查了20楼,使用了一次机会,如果碎了,确定的范围是1~19,那么,第二颗鸡蛋需要使用10-1次机会去探查19层,在最糟糕的情形下显然无法完成。

    显然当n=10时,第一次探查为10楼显然更合适,确定下来的范围是1~9,第二颗鸡蛋使用10-1次探查9层楼,最糟糕的情形下也能满足。

    如果探查10楼后鸡蛋没碎,而在第二次探查时碎了呢?我们第二次探查应该把范围再缩小1,如果第一个鸡蛋多探查一次,那么留给第二颗鸡蛋的探查机会就少一次,我们要保证在最糟糕的情形下也能探查到,所以留给第二颗鸡蛋的探查范围应该与其探查机会相等。即第一颗鸡蛋的第二次机会应该探查第19层,确定下来的范围需要探查的范围是11~18,第二颗鸡蛋的剩余探查次数刚好为10-2,匹配成功

    ·····

    根据以上分析,我们可以发现,每一次的探查范围都减一,即n-1,n-2,n-3,....2,1,0

    最后我们的探查范围会缩小到0

    那么我们把这些探查范围加起来,再加上n就是我们的探查总范围

     即n+(n-1)+(n-2)+······+3+2+1+0=100

    解的n刚好为正整数14,即使用此策略最多探查14次即可在100楼中找到临界楼层

    另外,当探查总范围发生改变时,解的n可能为小数,显然,探查次数只能为整数且n越小探查总范围越小,

    n应向上取整 


    另外一种理解方式:

    对这个问题,原始问题:100层楼,最少需要几次测试,才能得到摔碎鸡蛋的楼层 ,直接考虑不容易考虑,但是,如果将这个问题进行一种等价的转换,这个问题将会变得非常容易解答。

    个人认为,这个转换是解决这个问题的核心,这个转换是:

    转换问题两个鸡蛋,进行k次测试,最多可以测试几层楼

    如果大家能想到将“原始问题”变为“转换问题”,这个问题个人认为已经解决一半了,转换后,这个问题豁然开朗,思路全开。

    现在我们以“转换问题”为模板进行考虑,有两个鸡蛋,第一个鸡蛋如果破碎,第二个鸡蛋就必须只能一层一层的测试了,而且,我们要求进行k次测试就将摔碎鸡蛋的楼层必须找到.

     

    考虑第一次测试。第一次测试的时候,第一个鸡蛋不能放置的楼层太高了,否则,如果第一个鸡蛋破碎,第二个鸡蛋可能不能在k次测试后得到结果。但是也不能放置的矮了,因为如果放置的矮了,第一个鸡蛋破碎了还好说,如果没破,我们浪费了一次测试机会,也不能说是完全浪费了,不过至少是让效用没有最大化。所以,第一次测试的时候必须让第一个鸡蛋放置的不高不矮。

     

    不高不矮是多高?高到如果第一个鸡蛋破碎后第二个鸡蛋刚好能完成k次测试得到结果这个目标。由此可知,第一次测试所在的楼层高度为k,如果第一次测试第一枚鸡蛋破碎,则剩下k-1层楼,一层一层的试,k次一定能完成目标。

    如果第一次测试,第一枚鸡蛋没有破碎,则我们现在只有k-1次测试机会了,而且直到了k楼及其以下都是安全的了。我们消耗了一次测试机会,但是一次就测试了k层楼。

    然后只有k-1次机会了,第二次测试,我们可以在k层的基础上再增加k-1层了,注意,这个时候由于我们只有k-1次机会,所以这次只能再增加k-1层,以保证测试的时候第一枚鸡蛋破碎的情况下仍然能完成任务。

    于是,重复上述过程,直到最后一次机会,我们总共测试的楼层数为:

    这里的k相当于(k-1) + 1,对于一个鸡蛋,k-1次机会最多可以测试k-1层楼,再以此类推

    然后,再回到“原始问题”,100层楼,如果需要k次测试才能测试完成,则必须有:

    则可以得到,k≥14

    要是求N层楼把这里的100换成N就行了,k仍然需要向上取整

    然后,这个问题这个时候还可以扩展了,如果我们有三个鸡蛋,有k次机会,我们最大可以测试多少层楼?

    思路同前面一样,第一次测试,不能太高也能太矮,必须恰到好处,也就是第一枚鸡蛋如果破碎,剩余k-1次机会能将剩余楼层给测试完。

    由上面结论,k-1次机会最多可以测试k(k-1)/2层楼,所以第一次在k(k-1)/2+1层楼,第一次如果第一枚鸡蛋不碎,第二次在此基础上增加(k-1)(k-2)/2+1层楼,于是,三个鸡蛋k次机会总共测试楼层数为:

    至于四个鸡蛋,五个鸡蛋,以至于M个鸡蛋,可以以此类推,方法同上。此处原理讲通,就不推导了


    附:

    动态规划解法

    定义状态f[n][m]:N个鸡蛋从M层摔找出最少的尝试次数,测试出鸡蛋不会摔碎的临界点

    状态转移方程:f[n][m] = 1+max( f[n-1][k-1],f[n][m-k] ) (1<k<m)

    解释:
    1. 当手里有n个的时候,鸡蛋从k层往下摔,如果破了,那么手里只有n-1鸡蛋了,那么就需要测试f[n-1][k-1]楼层 
    2.没破,那么手里还有n个鸡蛋,那么需要测试k+1~m这些楼层

    此时我想问下,当手里有2个鸡蛋测试1~m-k层和手里有2个鸡蛋测试k+1~m有什么区别? 
    有人说有,因为楼层越高越容易碎,那其实是你个人的想法罢了。其实并没有区别,所以公式可以写为f[n][m-k]


    参考自:

    https://blog.csdn.net/qq_42403562/article/details/80949764

    http://blog.sina.com.cn/s/blog_6c813dbd0101bh98.html

    https://mp.weixin.qq.com/s__biz=MzIxMjE5MTE1Nw==&mid=2653194375&idx=1&sn=26cfa25b698eb2f6a04dceb151cbc8df&chksm=8c99fa5dbbee734b434187ac7964103e9e098b2d1c47f27f883934b155e89be2c5dee085db82&scene=21#wechat_redirect(这个超级可爱)

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