1 问题描述
在8枚外观相同的硬币中，有一枚是假币，并且已知假币与真币的重量不同，但不知道假币与真币相比较轻还是较重。可以通过一架天平来任意比较两组硬币，设计一个高效的算法来检测这枚假币。
2.1 减治法原理叙述
在说减法法原理之前，我们先来简单看看分治法原理：分治法是把一个大问题划分为若干子问题，分别求解子问题，然后再把子问题的解进行合并得到原问题的解。
而减治法同样是把大问题分解成为若干个子问题，但是这些子问题不需要分别求解，只需求解其中的一个子问题，也无需对子问题进行合并。换种说法，可以说减治法是退化的分治法。
减治法原理正式描述：减治法（reduce and conquer method）将原问题的解分解为若干个子问题，并且原问题的解与子问题的解之间存在某种确定关系，如果原问题的规模为n，则子问题的规模通常是n/2 或n-1。
2.2 8枚硬币规模解法
求解思路：
（1）首先输入8枚硬币重量，存放在一个长度为8的一维数组中。
（2）定义a,b,c,d,e,f,g,h八个变量，分别对应一枚硬币的重量。然后把这8枚硬币分成三组，分别为abc(abc = a+b+c)、def(def = d+e+f)、gh。
（3）比较adc和def的大小。如果abc = def，则假币必定是g或者h，然后把g和h分别与真币a进行比较大小，从而得到假币。如果abc > def，则g和h必定为真币，然后比较ae（ae = a+e）和bd（bd = b+d）大小（PS：此处意思为ae = abc - c并把b和e交换位置，bd = def - f并把e和b交换位置），如果ae = bd，则假币必定是c或者f，然后依次与g比较，从而得到假币；如果ae > bd，则假币必定是a或者d，然后依次与g比较，从而得到假币；如果ae < bd，则假币必定是e或者b，然后依次与g比较，从而得到假币。
（4）abc < def情况参照（3）中思想求解，最终得到假币。
具体程序流程图如图1所示：
package com.liuzhen.coin;
import java.util.*;
public class EightCoins {
public static void printFakeCoin(int [] A){
int a,b,c,d,e,f,g,h; //八枚硬币重量
a = A[0];
b = A[1];
c = A[2];
d = A[3];
e = A[4];
f = A[5];
g = A[6];
h = A[7];
int abc = a+b+c;
int def = d+e+f;
//当abc重量大于def重量时，找出其中假币，并打印输出
if(abc > def){
if(a+e > b+d){ //此时，假币必定为a或者d
if(a > g)
System.out.println("假币为第1枚硬币，较重，重量为："+a);
else{
if(a < g)
System.out.println("假币为第1枚硬币，较轻，重量为："+a);
else{
int test = d-g;
if(test > 0)
System.out.println("假币为第4枚硬币，较重，重量为："+d);
else
System.out.println("假币为第4枚硬币，较轻，重量为："+d);
}
}
}
if(a+e == b+d){ //此时，假币必定为c或者f
if(c > g)
System.out.println("假币为第3枚硬币，较重，重量为："+c);
else{
if(c < g)
System.out.println("假币为第3枚硬币，较轻，重量为："+c);
else{
int test = f-g;
if(test > 0)
System.out.println("假币为第6枚硬币，较重，重量为："+f);
else
System.out.println("假币为第6枚硬币，较轻，重量为："+f);
}
}
}
if(a+e < b+d){ //此时，假币必定为b或者e
if(b > g)
System.out.println("假币为第2枚硬币，较重，重量为："+b);
else{
if(c < g)
System.out.println("假币为第2枚硬币，较轻，重量为："+b);
else{
int test = e-g;
if(test > 0)
System.out.println("假币为第5枚硬币，较重，重量为："+e);
else
System.out.println("假币为第5枚硬币，较轻，重量为："+e);
}
}
}
}
//当abc重量等于def重量时，则假币必定为g或者h
if(abc == def){
if(g > a)
System.out.println("假币为第7枚硬币，较重，重量为："+g);
else{
if(g < a)
System.out.println("假币为第7枚硬币，较轻，重量为："+g);
else{
int test = h-a;
if(test > 0)
System.out.println("假币为第8枚硬币，较重，重量为："+h);
else
System.out.println("假币为第8枚硬币，较轻，重量为："+h);
}
}
}
//当abc重量小于def重量时，找出其中假币，并打印输出
if(abc < def){
if(a+e > b+d){ //此时，假币必定为b或者e
if(b > g)
System.out.println("假币为第2枚硬币，较重，重量为："+b);
else{
if(b < g)
System.out.println("假币为第2枚硬币，较轻，重量为："+b);
else{
int test = e-g;
if(test > 0)
System.out.println("假币为第5枚硬币，较重，重量为："+e);
else
System.out.println("假币为第5枚硬币，较轻，重量为："+e);
}
}
}
if(a+e == b+d){ //此时，假币必定为c或者f
if(c > g)
System.out.println("假币为第3枚硬币，较重，重量为："+c);
else{
if(c < g)
System.out.println("假币为第3枚硬币，较轻，重量为："+c);
else{
int test = f-g;
if(test > 0)
System.out.println("假币为第6枚硬币，较重，重量为："+f);
else
System.out.println("假币为第6枚硬币，较轻，重量为："+f);
}
}
}
if(a+e < b+d){ //此时，假币必定为a或者d
if(a > g)
System.out.println("假币为第1枚硬币，较重，重量为："+a);
else{
if(a < g)
System.out.println("假币为第1枚硬币，较轻，重量为："+a);
else{
int test = d-g;
if(test > 0)
System.out.println("假币为第4枚硬币，较重，重量为："+d);
else
System.out.println("假币为第4枚硬币，较轻，重量为："+d);
}
}
}
}
}
public static void main(String args[]){
Scanner scan = new Scanner(System.in);
int[] weightCoin = new int[8];
System.out.println("请您输入8枚硬币的重量（其中有一枚假币，其它硬币重量均相同）：");
for(int i = 0; i < 8; i++)
weightCoin[i] = scan.nextInt();
printFakeCoin(weightCoin);
}
}
2.3 n枚硬币规模解法
求解思路：
此处我写了两个方法：
方法1：
/*返回一个长度为3的一维数组,result[0]表示假币轻重,值为0表示偏轻,值为1表示偏重;result[1]表示一枚真币的重量;
result[2]表示,当硬币个数为奇数且最后一枚为假币时,把这枚假币重量赋值给result[2],否则result[2]值为0*/
public static int[] getJudgeCoinArray(int[] A)；
方法2：
/*返回一个长度为3的一维数组,result[0]表示假币轻重,值为0表示偏轻,值为1表示偏重;result[1]表示假币的重量;
result[2]表示假币在硬币数组中的具体位置*/
public static int[] getFakeCoin(int[] A,int min,int max,int judge,int real)；
具体程序流程图如图3所示（PS：此处图画的不完整，主要是表达程序的思想，不要纠结哟）：
package com.liuzhen.coin;
import java.util.Scanner;
public class NCoins {
/*返回一个长度为3的一维数组,result[0]表示假币轻重,值为0表示偏轻,值为1表示偏重;result[1]表示假币的重量;
result[2]表示假币在硬币数组中的具体位置*/
public static int[] getFakeCoin(int[] A,int min,int max,int judge,int real){
int[] result = new int[3]; //定义一个长度为3的一维数组，初始化所有值为0
if((max-min)%2 == 1){
//当max-min为奇数时，不能完成二分，判断A[max-1]是否为假币，若是，则直接返回结果，否则执行max= max-1
if(A[max-1] != real){
result[0] = judge;
result[1] = A[max-1];
result[2] = max;
return result;
}
max = max-1;
}
if(max-min == 2){
//当max-min为2时，此时只剩下两枚硬币，可以直接比较，找出假币
int a = A[min]-real;
int b = A[max-1]-real;
if(a != 0){
result[0] = judge;
result[1] = A[min];
result[2] = min+1;
}
if(b != 0){
result[0] = judge;
result[1] = A[max-1];
result[2] = max;
}
return result;
}
int sum1 = 0,sum2 = 0;
// System.out.println("max-min值为："+(max-min));
// System.out.println("judge值为："+judge);
for(int i = 0;i<(max-min)/2;i++){
sum1 += A[min+i]; //二分后的左半部分硬币总重量
sum2 += A[(max+min)/2+i]; //二分后的右半部分硬币总重量
}
// System.out.println("sum1值为："+sum1);
// System.out.println("sum2值为："+sum2);
//假币较重
if(judge == 1){
if(sum1 > sum2)
max = (max+min)/2; //此时假币在左半部分
else
min = (max+min)/2; //此时假币在右半部分
}
//假币较轻
if(judge == 0){
if(sum1 > sum2)
min = (max+min)/2; //此时假币在右半部分
else
max = (max+min)/2; //此时假币在左半部分
}
// System.out.println("min值为："+min);
// System.out.println("max值为："+max);
result = getFakeCoin(A,min,max,judge,real); //递归求解最终假币结果
return result;
}
/*返回一个长度为3的一维数组,result[0]表示假币轻重,值为0表示偏轻,值为1表示偏重;result[1]表示一枚真币的重量;
result[2]表示,当硬币个数为奇数且最后一枚为假币时,把这枚假币重量赋值给result[2],否则result[2]值为0*/
public static int[] getJudgeCoinArray(int[] A){
int[] result = new int[3]; //定义一个长度为3的一维数组，初始化所有值为0
int len = A.length; //获取数组A的长度，即硬币的总个数
int a = A[len-1]; //最后一枚硬币重量，用于判断当硬币个数为奇数时，最后一枚硬币时假币的情况
if(len%2 == 1){ //当硬币总个数为奇数时，将硬币总个数减1，变成偶数
len = len-1;
}
int[] Left1 = new int[len/2]; //二分左半部分
int[] Right1 = new int[len/2]; //二分右半部分
int sum1 = 0,sum2 = 0;
for(int i = 0;i<len/2;i++){
Left1[i] = A[i];
Right1[i] = A[len/2+i];
sum1 += A[i]; //左半部分硬币总重量
sum2 += A[len/2+i]; //右半部分硬币总重量
}
// System.out.println("sum1值为："+sum1);
// System.out.println("sum2值为："+sum2);
int sum3=0,sum4=0;
int len1 = Left1.length; //获取二分后左边数组长度
int b = Left1[len1-1]; //当Left1数组长度为奇数时，用于判断最后一枚硬币是否为假币
if(len1%2 == 1) //当len1为奇数时，将len1减1，变成偶数
len1 = len1-1;
for(int j = 0;j<len1/2;j++){
sum3 += Left1[j]; //左半部分的左半部分总重量
sum4 += Left1[len1/2+j]; //左半部分的右半部分总重量
}
//当左半部分硬币重量大于右半部分重量时
if(sum1 > sum2){
if(sum3 == sum4){
if(b > Left1[0]){ //此时可判断b为假币，且较重
result[0] = 1;
result[1] = Left1[0];
result[2] = b;
return result;
}
if(b < Left1[0]){ //此时可判断b为假币，且较轻
result[0] = 0;
result[1] = Left1[0];
result[2] = b;
return result;
}
//否则，假币在Right1中，且较轻
result[0] = 0;
result[1] = Left1[0];
}
if(sum3 != sum4){
//假币在Left1中，且较重
result[0] = 1;
result[1] = Right1[0];
}
}
//当左半部分硬币重量小于右半部分重量时
if(sum1 < sum2){
if(sum3 == sum4){
if(b > Left1[0]){ //此时可判断b为假币，且较重
result[0] = 1;
result[1] = Left1[0];
result[2] = b;
return result;
}
if(b < Left1[0]){ //此时可判断b为假币，且较轻
result[0] = 0;
result[1] = Left1[0];
result[2] = b;
return result;
}
//否则，假币在Right1中，且较重
result[0] = 1;
result[1] = Left1[0];
}
if(sum3 != sum4){
//假币在Left1中，且较轻
result[0] = 0;
result[1] = Right1[0];
}
}
//当左半部分硬币重量等于右半部分重量时
if(sum1 == sum2){
if(a > Left1[0]){ //此时可判断a为假币，且较重
result[0] = 1;
result[1] = Left1[0];
result[2] = a;
return result;
}
if(a < Left1[0]){ //此时可判断a为假币，且较轻
result[0] = 0;
result[1] = Left1[0];
result[2] = a;
return result;
}
}
// System.out.println("sum3值为："+sum3);
// System.out.println("sum4值为："+sum4);
return result;
}
public static void main(String args[]){
Scanner sc = new Scanner(System.in);
System.out.println("请您输入n枚硬币的总个数：");
int n = sc.nextInt();
int[] A = new int[n];
System.out.println("请您输入n枚硬币的重量（其中有一枚假币，其它硬币重量均相同）：");
for(int i = 0; i < n; i++)
A[i] = sc.nextInt();
int[] result1 = getJudgeCoinArray(A);
int len = A.length; //数组A的长度
int judge = result1[0]; //假币轻重判断
int real = result1[1]; //真币重量
int fakeCoin = result1[2]; //假币重量
System.out.println("硬币总个数为："+len);
System.out.println("judge值为："+judge+"(1表示假币较重,0表示假币较轻)");
System.out.println("真币重量为："+real);
if(fakeCoin != 0)
System.out.println("假币重量为："+fakeCoin);
else{
int[] result = getFakeCoin(A,0,len,judge,real);
if(result[0] == 1)
System.out.print("假币较重,");
else
System.out.print("假币较轻,");
System.out.print("且假币是第"+result[2]+"硬币,");
System.out.println("假币重量为："+result[1]);
}
}
}
