约瑟夫斯环问题的几种经典解法

经典的约瑟夫斯

问题描述:

有n个人围成一圈,从1开始顺序排号。从第一个人开始报数(从1~3报数),凡报到3的人退出圈子,问最后留下的是原来的第几号?

数组循环模拟法

const int N = 1000;
int person[N]={0};

int getJosePhus(int n,int m)
{
    if (n <= 0 || m <= 0)   //检查参数的有效值
        return -1;

    for(int j=0;j<n;j++)    //对下标为0~n-1赋值1~n
    {
        person[j] = j+1;
    }

    int leave = 0;  //离开的人
    int count = 0;  //计数1、2、3
    int index = 0;  //记录下标,超过n要取模,形成环形

    while (leave<n-1)   //当离开的人数比n-1少(即未退出人数大于1时,执行循环)
    {
        if(person[index]!=0)    //i下标的人还活着,计数就+1
        {
            count++;
        }
        if(count==m)    //当数到下标为m时,下标值置为0,计数器置0,离开人数+1
        {
            person[index] = 0;
            count = 0;
            leave++;
        }
        index++;    //每次循环下标仅+1
        if(index==n)    //达到了数组的最大下标,取模回到开头
        {
            index = index%n;
        }
    }
    index = 0;
    while (person[index]==0)    //循环找出剩下最后的值未清零的那个人的数组下标
    {
        index++;
    }   
    return person[index];
}

双向链表模拟法

int getJosePhus(int n,int m)
{
    list<int> circle;
    for(int i=1;i<=n;i++)
    {
        circle.push_back(i);
    }
    list<int>::iterator cur = circle.begin();
    while (circle.size()>1)
    {
        for(int i=0;i<m-1;++i)
        {
            ++cur;
            if(cur==circle.end())   //走到end,就是头节点的前一个结点,要跳到第一个begin头节点
            {
                cur = circle.begin();
            }
        }
        list<int>::iterator next = ++cur;   //删除数到m的人要记录下一个人的地址,如果下一个人是end(头节点的前一个结点),要跳到第一个begin头节点
        if(next==circle.end())
        {
            next = circle.begin();
        }
        --cur;
        circle.erase(cur);  //erase函数会析构此结点,在返回的时候,指向当前迭代器的下一个节点
        cur = next;
    }
    return circle.front();
}

数学推理法

无论是用链表实现还是用数组实现都有一个共同点:要模拟整个游戏过程,不仅程序写起来比较烦,而且时间复杂度高,当n,m非常大(例如上百万,上千万)的时候,几乎是没有办法在短时间内出结果的。

如果原问题仅仅是要求出最后的胜利者的序号,而不是要读者模拟整个过程。因此如果要追求效率,就要打破常规,实施一点数学策略。

为了讨论方便,先把问题稍微改变一下,并不影响原意:
问题描述:n个人(编号0~(n-1)),从0开始报数,报到(m-1)的退出,剩下的人继续从0开始报数。求胜利者的编号。
我们知道第一个人(编号一定是m%n-1) 出列之后,剩下的n-1个人组成了一个新的约瑟夫环(以编号为k=m%n的人开始):
  k  k+1  k+2  ... n-2, n-1, 0, 1, 2, ... k-2并且从k开始报0。
现在我们把他们的编号做一下转换:
k     --> 0
k+1   --> 1
k+2   --> 2
...
...
k-2   --> n-2
k-1   --> n-1
变换后就完完全全成为了(n-1)个人报数的子问题,假如我们知道这个子问题的解:例如x是最终的胜利者,那么根据上面这个表把这个x变回去不刚好就是n个人情况的解吗?!!变回去的公式很简单,相信大家都可以推出来:x'=(x+k)%n
如何知道(n-1)个人报数的问题的解?对,只要知道(n-2)个人的解就行了。(n-2)个人的解呢?当然是先求(n-3)的情况 ---- 这显然就是一个倒推问题!好了,思路出来了,下面写递推公式:
令f[i]表示i个人玩游戏报m退出最后胜利者的编号,最后的结果自然是f[n]
递推公式

f[1] = 0; (i = 1)
f[i] = (f[i - 1] + m) % i; (i > 1)

有了这个公式,我们要做的就是从1-n顺序算出f[i]的数值,最后结果是f[n]。因为实际生活中编号总是从1开始,我们输出f[n]+1.由于是逐级递推,不需要保存每个f[i],程序也是异常简单:

int getJosePhus(int n,int m)
{
    if(n<=0||m<=0)
    {
        return -1;
    }
    int last = 0;
    for(int i=2;i<=n;i++)
    {
        last = (last + m) % i;
    }
    return last + 1;
}

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