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圆圈中最后剩下的数字

问题:n个数字(0,1,…,n-1)形成一个圆圈,从数字0开始,每次从这个圆圈中删除第m个数字(第一个为当前数字本身,第二个为当前数字的下一个数字)。当一个数字删除后,从

被删除数字的下一个继续删除第m个数字。求出在这个圆圈中剩下的最后一个数字。

 

分析:试着从数学上分析出一些规律。首先定义最初的n个数字(0,1,…,n-1)中最后剩下的数字是关于n和m的方程为f(n,m)。

在这n个数字中,第一个被删除的数字是m%n-1,为简单起见记为k。那么删除k之后的剩下n-1的数字为0,1,…,k-1,k+1,…,n-1,并且下一个开始计数的数字是k+1。相当于在剩下

的序列中,k+1排到最前面,从而形成序列k+1,…,n-1,0,…k-1。该序列最后剩下的数字也应该是关于n和m的函数。由于这个序列的规律和前面最初的序列不一样(最初的序列是从0

开始的连续序列),因此该函数不同于前面函数,记为f’(n-1,m)。最初序列最后剩下的数字f(n,m)一定是剩下序列的最后剩下数字f’(n-1,m),所以f(n,m)=f’(n-1,m)。

接下来我们把剩下的的这n-1个数字的序列k+1,…,n-1,0,…k-1作一个映射,映射的结果是形成一个从0到n-2的序列:

k+1    ->    0
k+2    ->    1

n-1     ->    n-k-2
0        ->    n-k-1

k-1     ->   n-2

把映射定义为p,则p(x)= (x-k-1)%n,即如果映射前的数字是x,则映射后的数字是(x-k-1)%n。对应的逆映射是p-1(x)=(x+k+1)%n。

由于映射之后的序列和最初的序列有同样的形式,都是从0开始的连续序列,因此仍然可以用函数f来表示,记为f(n-1,m)。根据我们的映射规则,映射之前的序列最后剩下的数字f’(n-1,m)= p-1 [f(n-1,m)]=[f(n-1,m)+k+1]%n。把k=m%n-1代入得到f(n,m)=f’(n-1,m)=[f(n-1,m)+m]%n。

经过上面复杂的分析,我们终于找到一个递归的公式。要得到n个数字的序列的最后剩下的数字,只需要得到n-1个数字的序列的最后剩下的数字,并可以依此类推。当n=1时,也就是序列中开始只有一个数字0,那么很显然最后剩下的数字就是0。我们把这种关系表示为:

                0    ,              n=1
f(n,m)={
               [f(n-1,m)+m]%n  ,   n>1

尽管得到这个公式的分析过程非常复杂,但它用递归或者循环都很容易实现。最重要的是,这是一种时间复杂度为O(n),空间复杂度为O(1)的方法。

参考代码如下:

int LastRemaining_Solution2(int n, unsigned int m)
{
    // invalidinput
    if(n<= 0 || m < 0)
       return-1;

    // if thereare only one integer in the circle initially,
    // ofcourse the last remaining one is 0
    intlastinteger = 0;

    // find thelast remaining one in the circle with n integers
    for(int i = 2; i <= n; i ++) 
       lastinteger = (lastinteger + m) %i;

    returnlastinteger;
}

 

圆圈中最后剩下的数字