约瑟夫问题
约瑟夫问题
约瑟夫问题的来历这是17世纪的法国数学家加斯帕在《数目的游戏问题》中讲的一个故事：15个教徒和15 个非教徒在深海上遇险，必须将一半的人投入海中，其余的人才能幸免于难，于是想了一个办法：30个人围成一圆圈，从第一个人开始依次报数，每数到第九个人就将他扔入大海，如此循环进行直到仅余15个人为止。问怎样排法，才能使每次投入大海的都是非教徒。
*问题分析与算法设计
约瑟夫问题并不难，但求解的方法很多；题目的变化形式也很多。这里给出一种实现方法。
题目中30个人围成一圈，因而启发我们用一个循环的链来表示。可以使用结构数组来构成一个循环链。结构中有两个成员，其一为指向下一个人的指针，以构成环形的链；其二为该人是否被扔下海的标记，为1表示还在船上。从第一个人开始对还未扔下海的人进行计数，每数到9时，将结构中的标记改为0，表示该人已被扔下海了。这样循环计数直到有15个人被扔下海为止。
约瑟夫问题的一般形式：约瑟夫问题是个有名的问题：N个人围成一圈，从第一个开始报数，第M个将被杀掉，最后剩下一个，其余人都将被杀掉。例如N=6，M=5，被杀掉的人的序号为5，4，6，2，3。最后剩下1号。
假定在圈子里前K个为好人，后K个为坏人，你的任务是确定这样的最少M，使得所有的坏人在第一个好人之前被杀掉。
C++代码示例:
#include<iostream>
using namespace std;
void main()
{
int n,m,a[101],k,i,j,num; //计数器是从1开始的,所以100个人用101
cout<<"请输入参加游戏的玩家人数(不超过100人):";
cin>>n;
cout<<"----------------------------------------"<<endl;
if(n>100)
{
cout<<"玩家太多,请重新登陆此程序!"<<endl;
return;
}
cout<<"输入游戏中要玩的数字:";
cin>>m;
cout<<"----------------------------------------"<<endl;
for(i=1;i<=n;i++)
{
a【i】=1;//注意王朝百科里不让使用ASCII里的方括号，这里是中文字符集里的方括号，
}
j=0;
k=0;
for(i=1;i<=n+1;i++){
if(a【i】==1){
j=j+a【i】;
if(j==m)
{
j=0;
a【i】=0;
k++;
}
if(k==n){
num=i;
break;
}
}
if(i==n+1)
i=0;
}
cout<<"最后获胜的玩家是第 "<<num<<" 号玩家!"<<endl;
cout<<"----------------------------------------"<<endl;
}
写完密码约瑟夫就想到原来看到约瑟夫问题的一个数学解法 很巧妙很简单 不过只能推出最后一个出列的人
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，而且时间复杂度高达O(nm)，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。我们注意到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 mod 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 mod 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) mod 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;
f=(f+m) mod i; (i>1)
有了这个公式，我们要做的就是从1-n顺序算出f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，程序也是异常简单：
c++
#include <stdio.h>
int main()
{
int n, m, i, s=0;
printf ("N M = "); scanf("%d%d", &n, &m);
for (i=2; i<=n; i++) s=(s+m)%i;
printf ("The winner is %d
", s+1);
}
pascal
var n,m,i,s:integer;
begin
write('N M =');
read(n,m);
for i:=2 to n do
s:=(s+m) mod i;
writeln('The winner is ',s+1);
end.
这个算法的时间复杂度为O(n)，相对于模拟算法已经有了很大的提高。算n，m等于一百万，一千万的情况不是问题了。可见，适当地运用数学策略，不仅可以让编程变得简单，而且往往会成倍地提高算法执行效率。
约瑟夫问题10e100版(from vijios)
描述 Description
n个人排成一圈。从某个人开始，按顺时针方向依次编号。从编号为1的人开始顺时针“一二一”报数，报到2的人退出圈子。这样不断循环下去，圈子里的人将不断减少。由于人的个数是有限的，因此最终会剩下一个人。试问最后剩下的人最开始的编号。
输入格式 Input Format
一个正整数n，表示人的个数。输入数据保证数字n不超过100位。
输出格式 Output Format
一个正整数。它表示经过“一二一”报数后最后剩下的人的编号。
样例输入 Sample Input
9
样例输出 Sample Output
3
时间限制 Time Limitation
各个测试点1s
注释 Hint
样例说明
当n=9时，退出圈子的人的编号依次为：
2 4 6 8 1 5 9 7
最后剩下的人编号为3
初见这道题，可能会想到模拟。可是数据实在太大啦！！
我们先拿手来算，可知n分别为1，2，3，4，5，6，7，8...时的结果是1，1，3，1，3，5，7，1...
有如下规律：从1到下一个1为一组，每一组中都是从1开始递增的奇数，且每组元素的个数分别为1，2，4...
这样就好弄了！！
大体思路如下：
①read(a)
②b:=1,c:=1{b为某一组的元素个数，c为现在所加到的数}
③while c<a do (b:=b*2,c:=b+c){超过目标时停止加数}
⑥c:=c-b{退到前一组}
⑦x:=a-c{算出目标为所在组的第几个元素}
⑧ans:=x*2-1{求出该元素}
⑨write(ans)
有了思路，再加上高精度就可以了。我写的代码比较猥琐，因为是先把上面的思路敲进去，再写过程，又把一些简单的过程合到主程序中了，所以有点乱，也有点猥琐。起提供思路的作用还是完全可以的吧~~~
var a,b,c:array[1..105]of integer;
la,lb,lc,i:integer;
s:string;
procedure incc;
var i:integer;
begin
for i:=1 to 105 do c:=c+b;
for i:=1 to 104 do if c>9 then
begin
c:=c+c div 10;
c:=c mod 10;
end;
end;
function cxiaoa:boolean;
var i:integer;
begin
cxiaoa:=false;
for i:=105 downto 1 do
if c<a then begin cxiaoa:=true;break;end
else if c>a then break;
end;
procedure doubleb;
var i:integer;
begin
for i:=1 to 105 do b:=b*2;
for i:=1 to 104 do if b>9 then
begin
b:=b+b div 10;
b:=b mod 10;
end;
end;
procedure decc;
var i,j:integer;
begin
for i:=1 to 104 do
if c>=b then c:=c-b else
begin
j:=i+1;
while c[j]=0 do inc(j);
while j>i do
begin
c[j]:=c[j]-1;
c[j-1]:=c[j-1]+10;
dec(j);
end;
c:=c-b;
end;
end;
procedure fua;
var i:integer;
begin
for i:=1 to 104 do
if a>c then a:=a-c else
begin
a:=a-1;
a:=a+10;
a:=a-c;
end;
end;
procedure outit;
var i,j:integer;
begin
for i:=1 to 105 do a:=a*2;
for i:=1 to 104 do if a>9 then
begin
a:=a+a div 10;
a:=a mod 10;
end;
if a[1]>0 then a[1]:=a[1]-1 else
begin
j:=2;
while a[j]=0 do inc(j);
while j>1 do
begin
a[j]:=a[j]-1;
a[j-1]:=a[j-1]+10;
dec(j);
end;
a[1]:=a[1]-1;
end;
for i:=105 downto 1 do if a>0 then begin j:=i;break;end;
for i:=j downto 1 do write(a);
end;
begin
readln(s);
la:=length(s);
for i:=la downto 1 do a:=ord(s[la+1-i])-ord('0');
b[1]:=1;
c[1]:=1;
while cxiaoa do
begin
doubleb;
incc;
end;
decc;
fua;
outit;
end.
约瑟夫问题的另外一个有名的例子：
猴子选大王一． 问题描述：
一堆猴子都有编号，编号是1，2，3 ...m ,这群猴子（m个）按照1-m的顺序围坐一圈，从第1开始数，每数到第N个，该猴子就要离开此圈，这样依次下来，直到圈中只剩下最后一只猴子，则该猴子为大王。
二． 基本要求：
(1) 输入数据：输入m,n m,n 为整数，n<m
（2）中文提示按照m个猴子，数n 个数的方法，输出为大王的猴子是几号 ，建立一个函数来实现此功能
C程序：
#include <stdio.h>
#include<malloc.h>
#define LEN sizeof(struct monkey) //定义struct monkey 这个类型的长度
struct monkey
{
int num;
struct monkey *next;
};
struct monkey *create(int m)
{
struct monkey *head,*p1,*p2;
int i;
p1=p2=(struct monkey*)malloc(LEN);
head=p1;
head->num=1;
for(i=1,p1->num=1;i<m;i++)
{
p1=(struct monkey*)malloc(LEN);
p1->num=i+1;
p2->next=p1;
p2=p1;
}
p2->next=head;
return head;
}
struct monkey *findout(struct monkey *start,int n)
{
int i;
struct monkey *p;
i=n;
p=start;
for(i=1;i<n-1;i++)
p=p->next;
return p;
}
struct monkey *letout(struct monkey *last)
{
struct monkey *out,*next;
out=last->next;
last->next=out->next;
next=out->next;
free(out);
return next;
}
int main()
{
int m,n,i,king;
struct monkey *p1,*p2;
printf("请输入猴子的个数m:
");
scanf("%d",&m);
printf("每次数猴子的个数n :
");
scanf("%d",&n);
if(n==1)
{
king=m;
}
else
{
p1=p2=create(m);
for(i=1;i<m;i++)
{
p2=findout(p1,n);
p1=p2;
p2=letout(p1);
p1=p2;
}
king=p2->num;
free(p2);
}
printf("猴王的编号是：%d
",king);
return 0;
}
pascal程序：
var
a:array[1..10000] of integer;
n,s,i,j:integer;
begin
read(m,n);
for i:=1 to m do a[i]:=1;
j:=0;
for i:=1 to m do
begin
s:=0;
while s<n do
begin
if j<m then inc(j)
else j:=1;
s:=s+a[j];
end;
write(j);
a[j]:=0;
end;
end.
#include <stdio.h>
int main()
{
int n, m, i, s=0;
printf ("N M = "); scanf("%d%d", &n, &m);
for (i=2; i<=n; i++) s=(s+m)%i;
printf ("The winner is %d
", s+1);
return 0;
}
约瑟夫数学算法
#include <stdio.h>
#include <conio.h>
int main( void )
{
int n, i = 0, m, p;
scanf("%d%d", &n, &m); //n总人数，m步长
while( ++i <= n )
{
p = i * m;
while (p > n)
p = p - n + (p - n - 1)/(m - 1);
printf("%d
", p);
}
getch();
return 0;
}
笔算解决约瑟夫问题在M比较小的时候 ，可以用笔算的方法求解，
M=2
即N个人围成一圈，1，2，1，2的报数，报到2就去死，直到只剩下一个人为止。
当N=2^k的时候，第一个报数的人就是最后一个死的，
对于任意的自然数N 都可以表示为N=2^k+t,其中t<n/2
于是当有t个人去死的时候，就只剩下2^k个人 ，这2^k个人中第一个报数的就是最后去死的。这2^k个人中第一个报数的人就是2t+1
于是就求出了当M=2时约瑟夫问题的解：
求出不大于N的最大的2的整数次幂，记为2^k，最后一个去死的人是2(N-2^k)+1
M=3
即N个人围成一圈，1，2，3，1，2，3的报数，报到3就去死，直到只剩下一个人为止。
此时要比M=2时要复杂的多
我们以N=2009为例计算
N=2009，M=3时最后被杀死的人记为F(2009,3),或者可以简单的记为F(2009)
假设现在还剩下n个人，则下一轮将杀死[n/3]个人，[]表示取整，还剩下n-[n/3]个人
设这n个人为a1,a2,...,a(n-1),an
从a1开始报数，一圈之后，剩下的人为a1,a2,a4,a5,...a(n-n mod 3-1),a(n-n mod 3+1),..,an
于是可得：
1、这一轮中最后一个死的是a(n-n mod 3),下一轮第一个报数的是a(n-n mod 3+1)
2、若3|n,则最后死的人为新一轮的第F(n-[n/3])个人
若n mod 3≠0 且f(n-[n/3])<=n mod 3则最后死的人为新一轮的第n-[n/3]+F(n-[n/3])-（n mod 3）人
若n mod 3≠0 且f(n-[n/3])>n mod 3则最后死的人为新一轮的第F(n-[n/3])-（n mod 3）人
3、新一轮第k个人对应原来的第 3*[(k-1)/2]+(k-1)mod 2+1个人
综合1，2，3可得：
F(1)=1,F(2)=2,F(3)=2,F(4)=1,F(5)=4，F(6)=1，
当f(n-[n/3])<=n mod 3时 k=n-[n/3]+F(n-[n/3])-（n mod 3）,F(n)=3*[(k-1)/2]+(k-1)mod 2+1
当f(n-[n/3])>n mod 3时 k=F(n-[n/3])-（n mod 3） ，F(n)=3*[(k-1)/2]+(k-1)mod 2+1
这种算法需要计算 [log(3/2)2009]次 这个数不大于22，可以用笔算了
于是：
第一圈，将杀死669个人，这一圈最后一个被杀死的人是2007，还剩下1340个人，
第二圈，杀死446人，还剩下894人
第三圈，杀死298人，还剩下596人
第四圈，杀死198人，还剩下398人
第五圈，杀死132人，还剩下266人
第六圈，杀死88人，还剩下178人
第七圈，杀死59人，还剩下119人
第八圈，杀死39人，还剩下80人
第九圈，杀死26人，还剩下54人
第十圈，杀死18人，还剩36人
十一圈，杀死12人，还剩24人
十二圈，杀死8人，还剩16人
十三圈，杀死5人，还剩11人
十四圈，杀死3人，还剩8人
十五圈，杀死2人，还剩6人
F(1)=1,F(2)=2,F(3)=2,F(4)=1,F(5)=4，F(6)=1，
然后逆推回去
F(8)=7 F(11)=7 F(16)=8 f(24)=11 f(36)=16 f(54)=23 f(80)=31 f(119)=43 f(178)=62 f(266)=89 f(398)=130
F(596)=191 F(894)=286 F(1340)=425 F(2009)=634