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  • 楼层扔鸡蛋问题[转]

    转载自:http://www.acmerblog.com/egg-dropping-puzzle-5591.html

    两个软硬程度一样但未知的鸡蛋,它们有可能都在一楼就摔碎,也可能从一百层楼摔下来没事。

    现有座36层的建筑,要你用这两个鸡蛋确定哪一层是鸡蛋可以安全落下的最高位置,可以摔碎两个鸡蛋,要求用最少的测试次数。

    /*
    1.如果你从某一层楼扔下鸡蛋,它没有碎,则这个鸡蛋你可以继续用
    2.如果这个鸡蛋摔碎了,则你可以用来测试的鸡蛋减少一个
    3.所有鸡蛋的质量相同(都会在同一楼层以上摔碎)
    4.对于一个鸡蛋,如果其在楼层i扔下的时候摔碎了,对于任何不小于i的楼层,这个鸡蛋都会被摔碎
    5.如果在楼层i扔下的时候没有摔碎,则对于任何不大于i的楼层,这颗鸡蛋也不会摔碎
    6.从第1层扔下,鸡蛋不一定完好,从第36层扔下,鸡蛋也不一定会摔碎。
    */

    实际上,我们的终极目的是要找出连续的两层楼i,i+1。在楼层i鸡蛋没有摔碎,在楼层i+1鸡蛋碎了,问题的关键之处在于,测试之前,你并不知道鸡蛋会在哪一层摔碎,你需要找到的是一种测试方案,这种测试方案,无论鸡蛋会在哪层被摔碎,都至多只需要m次测试,在所有这些测试方案中,m的值最小。

    为什么是两个鸡蛋呢?如果只有一个鸡蛋,我们只能从下往上一层一层的测试。对于2个鸡蛋,比较容易想到的就是使用二分的方法,现在18层测试,如果这颗碎了,则你从第1层,到第17层,依次用第2颗鸡蛋测试。否则继续用两个鸡蛋测试上半部分的楼层,最多需要18次测试,减少了一半。看似是个不错的方法,可惜正确答案是8次。

    把这个问题一般化,考虑n个鸡蛋 k层楼,记为E(n,k)。

    解决的办法是试着从每一层掉落一个鸡蛋(从1到k)并递归计算需要在最坏的情况下需要的最小测试次数。考虑用程序来穷举所有情况找到答案。

    1) 最优子结构

    当我们从一个楼层x扔下鸡蛋时,有可能出现两种情况(1)鸡蛋破(2)鸡蛋不破。

    1)鸡蛋破,那么我们只需要用剩下的鸡蛋测试 x层以下的楼层; 所以问题简化为x-1层和n-1个鸡蛋
    2)如果鸡蛋没有破,那么我们只需要检查比x较高的楼层; 所以问题简化为 k-x 和n个鸡蛋。

    最优子结构可以表示为:

    /*
    k ==> 楼层数
    n ==> 鸡蛋数
      eggDrop(n, k) ==>最少需要的测试次数(考虑所有情况)
      eggDrop(n, k) = 1 + min{max(eggDrop(n - 1, x - 1), eggDrop(n, k - x)): 
                     x 属于 {1, 2, ..., k}}
    */
    # include <stdio.h>
    # include <limits.h>
    
    int max(int a, int b) { return (a > b)? a: b; }
    
    int eggDrop(int n, int k)
    {
        // 基本情况
        if (k == 1 || k == 0)
            return k;
    
        //如果只有一个鸡蛋,最坏的情况下需要k测试
        if (n == 1)
            return k;
    
        int min = INT_MAX, x, res;
    
        // 考虑从第1层到底k层扔下鸡蛋的所有情况 的最小结果
        for (x = 1; x <= k; x++)
        {
            res = max(eggDrop(n-1, x-1), eggDrop(n, k-x));
            if (res < min)
                min = res;
        }
        return min + 1;
    }
    
    /* 测试 */
    int main()
    {
        int n = 2, k = 10;
        printf ("
    Minimum number of trials in worst case with %d eggs and "
                 "%d floors is %d 
    ", n, k, eggDrop(n, k));
        return 0;
    }

    重叠子问题

    因为上面的程序重复计算了很多子问题。以E(2,4)为例:

                             E(2,4)
                               |                      
              ------------------------------------- 
              |             |           |         |   
              |             |           |         |       
          x=1/          x=2/      x=3/     x=4/ 
            /             /         ....      ....
           /             /    
     E(1,0)  E(2,3)     E(1,1)  E(2,2)
              /  /...         /  
          x=1/                 .....
            /    
         E(1,0)  E(2,2)
                /   
                ......
    对于2个鸡蛋,4层楼 部分递归

    因此完全可以用动态规划解决。

    # include <stdio.h>
    # include <limits.h>
    int max(int a, int b) { return (a > b)? a: b; }
    int eggDrop(int n, int k)
    {
        /* eggFloor[i][j] 表示对于 i个鸡蛋 j 层楼,需要的最少测试次数 */
        int eggFloor[n+1][k+1];
        int res;
        int i, j, x;
        // 初始化
        for (i = 1; i <= n; i++)
        {
            eggFloor[i][1] = 1;
            eggFloor[i][0] = 0;
        }
    
        //只有一个鸡蛋,没得优化,需要j次
        for (j = 1; j <= k; j++)
            eggFloor[1][j] = j;
    
        // 最优子结构的递推
        for (i = 2; i <= n; i++)
        {
            for (j = 2; j <= k; j++)
            {
                eggFloor[i][j] = INT_MAX;
                for (x = 1; x <= j; x++)
                {
                    res = 1 + max(eggFloor[i-1][x-1], eggFloor[i][j-x]);
                    if (res < eggFloor[i][j])
                        eggFloor[i][j] = res;
                }
            }
        }
        return eggFloor[n][k];
    }
    
    /* 测试*/
    int main()
    {
        int n = 2, k = 36;
        printf ("
    Minimum number of trials in worst case with %d eggs and "
                 "%d floors is %d 
    ", n, k, eggDrop(n, k));
        return 0;
    }
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