二分法,平方根法

题目:扔鸡蛋问题(与第九届蓝桥杯省赛摔手机问题一样)之前也写了关于这题的博客:https://www.cnblogs.com/tianzeng/p/8764703.html

2个鸡蛋,从100层楼上往下扔,以此来测试鸡蛋的硬度。比如鸡蛋在第9层没有摔碎,在第10层摔碎了,那么鸡蛋不会摔碎的临界点就是9层。

问:如何用最少的尝试次数,测试出鸡蛋不会摔碎的临界点?

举个栗子,最笨的测试方法是什么样呢?

把其中一个鸡蛋从第1层开始往下扔。

如果在第1层没碎,换到第2层扔

如果在第2层没碎,换到第3层扔

.......

如果第59层没碎,换到第60层扔

如果第60层碎了,说明不会摔碎的临界点是第59层

在最坏情况下,这个方法需要扔100次。

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解:

方法一:二分法

采用类似于二分查找的方法,把鸡蛋从一半楼层(50层)往下扔。

如果第一枚鸡蛋在50层碎了,第二枚鸡蛋就从第1层开始扔,一层一层增长,一直扔到第49层。

如果第一枚鸡蛋在50层没碎了,则继续使用二分法,在剩余楼层的一半(75层)往下扔......

这个方法在最坏情况下,需要尝试50次。

方法二:平方根法

如何让第一枚鸡蛋和第二枚鸡蛋的尝试次数尽可能均衡呢?

很简单,做一个平方根运算,100的平方根是10。

因此,我们尝试每10层扔一次,第一次从10层扔,第二次从20层扔,第三次从30层......一直扔到100层。

这样的最好情况是在第10层碎掉,尝试次数为 1 + 9 = 10次。

最坏的情况是在第100层碎掉,尝试次数为 10 + 9 = 19次。

不过,这里有一个小小的优化点,我们可以从15层开始扔,接下来从25层、35层扔......一直到95层。

这样最坏情况是在第95层碎掉,尝试次数为 9 + 9 = 18次。

方法三:解方程法(逆向思维

假设问题存在最优解,这个最优解的最坏尝试情况是x次,那么第一次扔鸡蛋应该在那一层呢?

答案是:第x层

假设最优的尝试次数的x次,为什么第一次扔就要选择第x层呢?

假设第一次扔在第x+1层:

如果第一个鸡蛋碎了,那么第二个鸡蛋只能从第1层开始一层一层扔,一直扔到第x层。

这样一来,我们总共尝试了x+1次,和假设尝试x次相悖。由此可见,第一次扔的楼层必须小于x+1层。

假设第一次扔在第x-1层:

如果第一个鸡蛋碎了,那么第二个鸡蛋只能从第1层开始一层一层扔,一直扔到第x-2层。

这样一来,我们总共尝试了x-2+1 = x-1次,虽然没有超出假设次数,但似乎有些过于保守。

假设第一次扔在第x层:

如果第一个鸡蛋碎了,那么第二个鸡蛋只能从第1层开始一层一层扔,一直扔到第x-1层。

这样一来,我们总共尝试了x-1+1 = x次,刚刚好没有超出假设次数。

因此,要想尽量楼层跨度大一些,又要保证不超过假设的尝试次数x,那么第一次扔鸡蛋的最优选择就是第x层。

假设第一次在x层扔鸡蛋没有碎

我们尝试的次数消耗了一次,问题就转化为两个鸡蛋在100-x层楼往下扔,要求尝试次数

不超过x-1次,所以第二次尝试的楼层跨度是x-1层绝对楼层是x+x-1层,同理如果鸡蛋还没碎,第三次的楼层跨度是x-2

第四次的楼层跨度是x-3......

x + (x-1) + (x-2) + ... + 1 = 100

这个方程式不难理解:

左边的多项式是各次扔鸡蛋的楼层跨度之和。由于假设尝试x次,所以这个多项式共有x项。

右边是总的楼层数100。

下面我们来解这个方程:

x + (x-1) + (x-2) + ... + 1 = 100  转化为

(x+1)*x/2 = 100

最终x向上取整,得到 x = 14

因此,最优解在最坏情况的尝试次数是14次,第一次扔鸡蛋的楼层也是14层

举个栗子验证下:

假如鸡蛋不会碎的临界点是65层,那么第一个鸡蛋扔出的楼层是14,27,50,60,69。这时候啪的一声碎了

第二个鸡蛋继续,从61层开始,61,62,63,64,65,66,啪的一声碎了。

因此得到不会碎的临界点65层,总尝试次数是 6 + 6 = 12 < 14 。

最后,让我们把第一个鸡蛋没碎的情况下,所尝试的楼层数完整列举出来:

14,27, 39, 50, 60, 69, 77, 84, 90, 95, 99, 100

 

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