首页 > 代码库 > 马后炮一篇 关于Futurama S06E10中的数学问题
马后炮一篇 关于Futurama S06E10中的数学问题
时间要追溯到2013年9月，我看到过这样一个有趣的问题，来源于matrix67的一篇博文。
那么把题目摘录一下：
但现在，问题已经变得更加复杂了——这下已经产生了三个大脑位置错乱的人。大家很容易联想到一个更一般的问题：给定 n 个人以及他们之前使用“心灵对换机”的记录，至少得引入多少个新的人，才能让所有人的大脑都“物归原主”呢？”
条件需要注意的是：n个人两两之间可能都已经换过了，所以后续的交换只能在新人和旧人，新人和新人之间互换。
在原先的文章里，最后给出的解答是这样的：
无论此前n个人的交换有多混乱，最后只需要引入两个人，可以让大家复原。
躯体：1 2 3 4 5 6 … k-1 k
大脑：2 3 4 5 6 7 … k 1
首先解答这样一种特殊的情况
在2 3 4 5 6 … k 1 的情况下，可以通过一种构造性的置换方法
2 3 4 5 6 … k 1 x y
x 3 4 5 6 … k 1 2 y
x y 4 5 6 … k 1 2 3
x y 3 5 6 … k 1 2 4
x y 3 4 6 … k 1 2 5
x y 3 4 5 … k 1 2 6
… … …
x y 3 4 5 … k-1 1 2 k
x y 3 4 5 … k-1 k 2 1
x 2 3 4 5 … k-1 k y 1
1 2 3 4 5 … k-1 k y x
1 2 3 4 5 … k-1 k x y
但是如何面对一般的情形呢？
原文是这样解释的：
“注意到一个 1 到 n 的排列总能分解成若干个循环的乘积，对每个循环分别进行上述操作 ”我觉得这句话并没有把这个解答解释得比较充分，让人不太明白，这是这篇文章比较遗憾的地方。
下面说一下我的思考吧
首先，引入这样一个问题。
一个排列，每个数字i都不在第i个位置上，需要多少次交换，才能变换到1，2，3, ..., n-1, n
例如排列 2 4 1 3，最少需要3次交换。排列 2 1 4 3则只需要2次交换。
因为前者{1,2,3,4}构成了一个全乱环，后者{1，2} {3, 4}构成了2个全乱环（额...全乱环，姑且这么描述吧，暂时没找到正规俗语-_-||）。
排列 1 3 4 2不是我们考虑的情形，因为1在第1个位置。
在一个大小为n的完全乱序环中，最少需要n-1次交换，才能还原。
我们暂时考虑这样的排列：每个数字i都不在排列的第i个位置上，并且需要通过n-1次交换才能还原到1 2 3 4 ... n-1 n
如果只引入一个人x，策略是依次把1，2,3,4心灵换到身体上（红色表示旧人和新人已经做过交换）
2 4 1 3 x
2 4 x 3 1
1 4 x 3 2
1 2 x 3 4
1 2 x 4 3
好，到这里比较尴尬了，因为第一次5号身体和3号已经换过了所以不能再换了
怎么办？
那么只好引入第2个救星了y。他的作用是先和装有1号心灵的身体互换，避免x最后无法交换的困境
2 4 1 3 x y
2 4 y 3 x 1
x 4 y 3 2 1
x 2 y 3 4 1
x 2 y 4 3 1
只有x一个人时的困境不再了，3可以和y交换了
x 2 3 4 y 1
1 2 3 4 y x
1 2 3 4 x y
总之，解决的办法就是：
1）y先和1号心灵交换，
2）然后由x的身体把2，3，4，... n按照心灵的顺序各归其位，
3）再由y的身体把1号归位，
4）最后x y互换。
于是，各归其位，世界和平了。 ：D
等等，我们刚才说了排列中只有一个全乱环的情况，如果有多个全乱环呢？
其实很简单，对每一个全乱环都用上述的方法单独处理就行了。