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  • 数字之魅数字中的技巧之求不要被阶乘吓倒

    阶乘(Factorial)是个很有意思的函数,但是不少人都比较怕它,我们来看看两个与阶乘相关的问题:

           1.   给定一个整数N,那么N的阶乘N!末尾有多少个0呢?例如:N=10,N!=3 628 800,N!的末尾有两个0。

           2.   求N!的二进制表示中最低位1的位置。

    答案:

    有些人碰到这样的题目会想:是不是要完整计算出N!的值?如果溢出怎么办?事实上,如果我们从“哪些数相乘能得到10”这个角度来考虑,问题就变得简单了。

    首先考虑,如果N!= K×10M,且K不能被10整除,那么N!末尾有M个0。再考虑对N!进行质因数分解,N!=(2x)×(3y)×(5z)…,由于10 = 2×5,所以M只跟XZ相关,每一对2和5相乘可以得到一个10,于是M = min(XZ)。不难看出X大于等于Z,因为能被2整除的数出现的频率比能被5整除的数高得多,所以把公式简化为M = Z

    根据上面的分析,只要计算出Z的值,就可以得到N!末尾0的个数。

    【问题1的解法一】

    要计算Z,最直接的方法,就是计算i=1, 2, …, N)的因式分解中5的指数,然后求和:

    代码清单2-6


    ret = 0;

    for(i = 1; i <= N; i++)

    {

        j = i;

        while(j % 5 ==0)

        {

            ret++;

            j /= 5;

        }

    }


    【问题1的解法二】

    公式:Z = [N/5] +[N/52] +[N/53] + …(不用担心这会是一个无穷的运算,因为总存在一个K,使得5K > N,[N/5K]=0。)

    公式中,[N/5]表示不大于N的数中5的倍数贡献一个5,[N/52]表示不大于N的数中52的倍数再贡献一个5,……代码如下:

    ret = 0;

    while(N)

    {

        ret += N / 5;

        N /= 5;

    }

    问题2要求的是N!的二进制表示中最低位1的位置。给定一个整数N,求N!二进制表示的最低位1在第几位?例如:给定N = 3,N!= 6,那么N!的二进制表示(1 010)的最低位1在第二位。

    为了得到更好的解法,首先要对题目进行一下转化。

    首先来看一下一个二进制数除以2的计算过程和结果是怎样的。

    把一个二进制数除以2,实际过程如下:

    判断最后一个二进制位是否为0,若为0,则将此二进制数右移一位,即为商值(为什么);反之,若为1,则说明这个二进制数是奇数,无法被2整除(这又是为什么)。

    所以,这个问题实际上等同于求N!含有质因数2的个数。即答案等于N!含有质因数2的个数加1。

    【问题2的解法一】

    由于N! 中含有质因数2的个数,等于 N/2 + N/4 + N/8 + N/16 + …[1],

    根据上述分析,得到具体算法,如下所示:

    代码清单2-7


    int lowestOne(int N)

    {

        int Ret = 0; 

        while(N)

         {

            N >>= 1;

             Ret += N;

         }

        return Ret;

     }


    【问题2的解法二】

    N!含有质因数2的个数,还等于N减去N的二进制表示中1的数目。我们还可以通过这个规律来求解。

    下面对这个规律进行举例说明,假设 N = 11011,那么N!中含有质因数2的个数为 N/2 + N/4 + N/8 + N/16 + …

    即: 1101 + 110 + 11 + 1

                        =(1000 + 100 + 1)

                        +(100 + 10)

                        +(10 + 1)

                        + 1

                        =(1000 + 100+ 10 + 1)+(100 + 10 + 1)+ 1

                        = 1111 + 111 + 1

                        =(10000 -1)+(1000 - 1)+(10-1)+(1-1)

                        = 11011-N二进制表示中1的个数

    小结

    任意一个长度为m的二进制数N可以表示为N = b[1] + b[2] * 2 + b[3] * 22 + … + b[m] * 2(m-1),其中b [ i ]表示此二进制数第i位上的数字(1或0)。所以,若最低位b[1]为1,则说明N为奇数;反之为偶数,将其除以2,即等于将整个二进制数向低位移一位。

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