具体数学-第8课(取整进阶)

今天主要讲了取整与递归式的结合,还有取模的相关知识。

例题1


给出下列递归式:
\[\begin{array}{l}{K_0}{\rm{ = }}1\\{K_{n + 1}} = 1 + \min (2{K_{\left\lfloor {n/2} \right\rfloor }},3{K_{\left\lfloor {n/3} \right\rfloor }}),n \ge 0\end{array}\]
现在不要求你求解,要你证明:
\[{K_n} \ge n\]
首先想到的就是数学归纳法,假设对于任意$k \le n$,都有${K_k} \ge k$,那么:
\[\begin{array}{l}{K_{n + 1}} = 1 + \min (2{K_{\left\lfloor {n/2} \right\rfloor }},3{K_{\left\lfloor {n/3} \right\rfloor }})\\ \ge 1 + \min (2\left\lfloor {\frac{n}{2}} \right\rfloor ,3\left\lfloor {\frac{n}{3}} \right\rfloor )\end{array}\]
如果$n = 2k$,那么${K_{n + 1}} \ge 1 + n$。
如果$n = 2k + 1$,那么${K_{n + 1}} \ge n$,这时不成立。

所以数学归纳法无法证明,今后我们会用其他方法来证明这个式子。

约瑟夫环新解


还记得约瑟夫环问题吗?详见第一节课

这里我们继续推广到一般情况,如果有$n$个人,每隔$q$个人踢掉一个人,最后剩下的是几号?

初始编号为$1 \ldots n$,现在考虑一种新的编号方式。

第一个人不会被踢掉,编号加$1$,变成$n + 1$,然后第二个人编号变为$n + 2$,直到第$q$个人,他被踢掉了。

然后第$q + 1$个人编号继续加$1$,变成了$n + q$,依次下去。

考虑当前踢到的人编号为$kq$,那么此时已经踢掉了$k$个人,所以接下去的人新的编号为$n + k(q - 1) + 1 \ldots$。

所以编号为$kq+d$的人编号变成了$n + k(q - 1) + d$,其中$1 \le d < q$。

直到最后,可以发现活下来的人编号为$qn$,问题是怎么根据这个编号推出他原来的编号?

以$n = 10$,$q = 3$为例,下图就是每个人新的编号:


\[N = n + k(q - 1) + d\]
所以他上一次的编号是
\[kq + d = kq + N - n - k(q - 1) = k + N - n\]
因为
\[k = \frac{ {N - n - d}}{ {q - 1}} = \left\lfloor {\frac{ {N - n - 1}}{ {q - 1}}} \right\rfloor \]
所以上一次编号可以写为
\[\left\lfloor {\frac{ {N - n - 1}}{ {q - 1}}} \right\rfloor + N - n\]

因此最后存活的人编号可以用如下的算法计算:

N = qn
while N > n:
    N = k + N - n
ans = N

其中$k = \left\lfloor {\frac{ {N - n - 1}}{ {q - 1}}} \right\rfloor $

如果我们用$D = qn + 1 - N$替代$N$,将会进一步简化算法:
\[\begin{array}{l}D = qn + 1 - N\\ = qn + 1 - \left( {\left\lfloor {\frac{ {(qn + 1 - D) - n - 1}}{ {q - 1}}} \right\rfloor + qn + 1 - D - n} \right)\\ = n + D - \left\lfloor {\frac{ {(q - 1)n - D}}{ {q - 1}}} \right\rfloor \\ = D - \left\lfloor {\frac{ { - D}}{ {q - 1}}} \right\rfloor \\ = D + \left\lceil {\frac{D}{ {q - 1}}} \right\rceil \\ = \left\lceil {\frac{q}{ {q - 1}}D} \right\rceil \end{array}\]

算法伪代码如下:

D = 1
while D <= (q-1)n:
    D = k
ans = qn + 1 - D

其中$k = \left\lceil {\frac{q}{ {q - 1}}D} \right\rceil $

模的性质


定义与性质

模定义如下:
\[x\bmod y = x - y\left\lfloor {\frac{x}{y}} \right\rfloor \]
特别的
\[x\bmod 0 = x\]

与此类似,定义一个与模类似的运算:
\[x{\rm{ mumble }}y = y\left\lceil {\frac{x}{y}} \right\rceil - x\]
形象理解如下图所示:

圆的周长是$y$,一共走过的路长(红色+绿色部分)是$x$,所以$x\bmod y$就是绿色部分,$x{\rm{ mumble }}y$就是一圈长度减去绿色部分。

模有一些性质:
\[c(x\bmod y) = (cx)\bmod (cy)\]

应用

考虑如下问题,怎么平均分配$n$个东西给$m$个人?

很容易想到,首先分给每个人$\left\lfloor {\frac{n}{m}} \right\rfloor $个东西,剩下$n\bmod m$件东西分给前$n\bmod m$个人,一人多一件就行。

概括起来就是,前$n\bmod m$个人,每人$\left\lceil {\frac{n}{m}} \right\rceil $件,剩下的人,每人$\left\lfloor {\frac{n}{m}} \right\rfloor $件。

那有没有办法统一表示呢?有的,每个人分到的件数为
\[\left\lceil {\frac{ {n - k + 1}}{m}} \right\rceil ,1 \le k \le m\]

为什么呢?假设
\[n = qm + r,0 \le r < m\]
那么
\[\begin{array}{l}\left\lceil {\frac{ {n - k + 1}}{m}} \right\rceil = \left\lceil {\frac{ {qm + r - k + 1}}{m}} \right\rceil \\ = q + \left\lceil {\frac{ {r - k + 1}}{m}} \right\rceil \end{array}\]
当$1 \le k \le r$时,
\[\left\lceil {\frac{ {n - k + 1}}{m}} \right\rceil = 1\]
当$r < k \le m$时,
\[\left\lceil {\frac{ {n - k + 1}}{m}} \right\rceil = 0\]

得证,因此可以得到如下等式:
\[n = \left\lceil {\frac{n}{m}} \right\rceil + \left\lceil {\frac{ {n - 1}}{m}} \right\rceil + \cdots + \left\lceil {\frac{ {n - m + 1}}{m}} \right\rceil \]

由$n = \left\lfloor {\frac{n}{2}} \right\rfloor + \left\lceil {\frac{n}{2}} \right\rceil $
可以进一步将其转换为下取整形式:
\[n = \left\lfloor {\frac{n}{m}} \right\rfloor + \left\lfloor {\frac{ {n + 1}}{m}} \right\rfloor + \cdots + \left\lfloor {\frac{ {n + m - 1}}{m}} \right\rfloor \]

令$n = \left\lfloor {mx} \right\rfloor $
我们得到了一个令人惊奇的等式:
\[\left\lfloor {mx} \right\rfloor = \left\lfloor x \right\rfloor + \left\lfloor {x + \frac{1}{m}} \right\rfloor + \cdots + \left\lfloor {x + \frac{ {m - 1}}{m}} \right\rfloor \]

HDU3089


最后用今天介绍的约瑟夫环算法来解决一道经典的ACM题!题目链接:杭电3089

C++代码如下:

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

typedef long long LL;

LL Ceil(LL x, LL y) {
    if (x % y == 0) return x / y;
    return x / y + 1;
}

LL J(LL n, LL q) {
    LL D = 1, end = (q - 1) * n;
    while (D <= end) {
        D = Ceil(q * D, q - 1);
    }
    return q * n + 1 - D;
}

int main() {
    LL n, q;
    while (~scanf("%lld%lld", &n, &q)) {
        printf("%lld\n", J(n, q));
    }
    return 0;
}

比网上各种快速算法还要快哦,理论时间复杂度是$\log n$的。


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2018-04-19
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