格雷码
通常,人们习惯将所有 n 位二进制串按照字典序排列,例如所有 2 位二进制串按字典序从小到大排列为:00,01,10,11。
格雷码(Gray Code)是一种特殊的 n 位二进制串排列法,它要求相邻的两个二进制串间恰好有一位不同,特别地,第一个串与最后一个串也算作相邻。
所有 2 位二进制串按格雷码排列的一个例子为:00,01,11,10。
n 位格雷码不止一种,下面给出其中一种格雷码的生成算法:
- 1 位格雷码由两个 1 位二进制串组成,顺序为:0,1。
- n+1 位格雷码的前 2 n 2^n 2n 个二进制串,可以由依此算法生成的 n 位格雷码(总共 2 n 2^n 2n 个 n 位二进制串)按顺序排列,再在每个串前加一个前缀 0 构成。
- n+1 位格雷码的后 2 n 2^n 2n 个二进制串,可以由依此算法生成的 n 位格雷码(总共 2 n 2^n 2n 个 n 位二进制串)按 2 n 2^n 2n排列,再在每个串前加一个前缀 1 构成。
综上,n+1 位格雷码,由 n 位格雷码的 2 n 2^n 2n 个二进制串按顺序排列再加前缀 0,和按逆序排列再加前缀 1 构成,共 2 n + 1 2^{n+1} 2n+1 个二进制串。
另外,对于 n 位格雷码中的 2 n 2^n 2n 个二进制串,我们按上述算法得到的排列顺序将它们从 0 0 0 ∼ 2 n − 1 2^n−1 2n−1 编号。
按该算法,2 位格雷码可以这样推出:
已知 1 位格雷码为 0,1。
前两个格雷码为 00,01。后两个格雷码为 11,10。合并得到 00,01,11,10,编号依次为 0 ∼ 3。
同理,3 位格雷码可以这样推出:
已知 2 位格雷码为:00,01,11,10。
前四个格雷码为:000,001,011,010。后四个格雷码为:110,111,101,100。合并得到:000,001,011,010,110,111,101,100,编号依次为 0 ∼ 7。
现在给出 n,k,请你求出按上述算法生成的 n 位格雷码中的 k 号二进制串。
输入格式
仅一行,包含两个整数 n 和 k。
输出格式
仅一行,一个 n 位二进制串表示答案。
输入样例
3 5
输出样例
111
算法思想
从题目描述可知, n n n位格雷码可以由 n − 1 n-1 n−1位格雷码生成:
- n − 1 n-1 n−1 位格雷码(总共 2 n − 1 2^{n-1} 2n−1 个 n − 1 n-1 n−1 位二进制串)按顺序排列,再在每个串前加一个前缀
0
构成。 - n − 1 n-1 n−1 位格雷码(总共 2 n − 1 2^{n-1} 2n−1 个 n − 1 n-1 n−1 位二进制串)按逆序排列,再在每个串前加一个前缀
1
构成。
那么,n
位的格雷码可以分为两部分,如下图所示:
要求n
位的格雷码中k
(k
从0开始)号二进制串,可以使用分治思想递归求解:
- 如果 k < 2 n − 1 k < 2^{n-1} k<2n−1,可以添加前缀
0
,并到顺序排列的 2 n − 1 2^{n-1} 2n−1 个二进制串中递归查找第 k k k号二进制串。 - 如果 k > = 2 n − 1 k >= 2^{n-1} k>=2n−1,可以添加前缀
1
,并到逆序排列的 2 n − 1 2^{n-1} 2n−1 个二进制串中递归查找第 2 n − 1 − k 2^n-1-k 2n−1−k号二进制串。注意,前面已有 2 n − 1 2^{n-1} 2n−1 个二进制串,所以要求的序号变为 k − 2 n − 1 + 1 k-2^{n-1}+1 k−2n−1+1,又因为是逆序排列,所以变换成顺序排列的序号为 2 n − 1 − ( k − 2 n − 1 + 1 ) = 2 n − 1 − k 2^{n-1}-(k-2^{n-1}+1)=2^n-1-k 2n−1−(k−2n−1+1)=2n−1−k。 - 特殊地,当
n==0
时,所得二进制串为∅
。
时间复杂度
O ( n ) O(n) O(n)
代码实现
#include <iostream>
using namespace std;
typedef unsigned long long ULL;
string dfs(int n, ULL k)
{
if(n == 0) return "";
//1ull表示无符号长整型1
if(k < (1ull << n - 1)) return "0" + dfs(n - 1, k);
ULL t = (1ull << n) - 1;
//当n=64时,2的64次幂ULL也会溢出
//单独判断处理即可
if(n == 64) t = -1;
return "1" + dfs(n - 1, t - k);
}
int main()
{
int n;
ULL k;
cin >> n >> k;
cout << dfs(n, k) << endl;
return 0;
}