• 【刷题】面筋-两颗鸡蛋测临界楼层的问题


    题目

    • 有一栋楼,共100层。

    • 定义:鸡蛋在第n层楼扔下,不会碎,第n+1层扔下,会碎,那么第n层就叫临界楼层(即最高的安全楼层)

    • 你手中有两个鸡蛋(默认理想状态:两个鸡蛋完全相同),如何优化尝试策略,使得使用最少次数,测出临界楼层

    • 即,使用此策略,最差也可以在多少次以内测出临界楼层

    • (ps:假定鸡蛋一定会在某层楼下落后碎掉)

    思路1:暴力法遍历

    • 为了不让鸡蛋碎掉,我们从一楼开始测试,这样只需要一个鸡蛋,当到达临界楼层的上一层n+1时,鸡蛋碎了,然后我们可以得出n层是临界楼层,这是最原始的方法,遍历。

    • 这种策略最糟糕的情况会是测试到100楼鸡蛋才会碎,测试次数是100次,临界楼层是99楼。

    • 最好的情况是测试到2楼鸡蛋就碎了,测试次数是2次,临界楼层是1层。

    思路2:二分查找

    • 我们手中有俩鸡蛋,为了充分利用条件,我们可以利用第一个鸡蛋来缩小范围。

    • 先跑到50楼去扔,没碎的话,再去75楼去扔···直到第一个鸡蛋碎掉。

    • 如果我们从50楼扔,没碎,说明50楼以下是安全的,50楼以上还有50楼,那我们再去上面的50楼的一半——75楼去扔,在75楼碎了,说明临界楼层在50层~74层之间,我们就利用第二个鸡蛋,遍历51层到74层。这是运用二分法。

    • 这种策略最糟糕的情况会是50层鸡蛋就碎了,49层是临界楼层,测试次数是1+49次。

    • 最好的情况是1楼是临界楼层,测试次数是1+2次。

    思路3:平均分组

    • 尝试使每个鸡蛋的测试任务大致相当,即给100开个平方根,第一个鸡蛋只测试整十楼层,第二个鸡蛋测试两个整十楼层之间的楼层。我们可以先测10楼,20楼,30楼···,直到第一个鸡蛋碎掉。

    • 如果我们测到30楼,第一个鸡蛋碎了,那我们就用第二个鸡蛋遍历测试21~29楼。

    • 这种策略最糟糕的情况会是99层是临界楼层,测试次数是10+9次。

    • 最好的情况是1楼是临界楼层,测试次数是1+2次。

    思路4:非平均分组

    • 我们假定存在一种最优策略,最多n次测试就能找到临界楼层。那么,最糟糕的状况会是哪一种呢?

    • 从上面的分析可以看出,测试次数分为两部分

      • 第一颗鸡蛋的测试次数x,用来缩小范围
      • 第二颗鸡蛋用来在小范围内查找临界楼层y
      • 即x+y=n
    • 那么当测试次数固定为n时,每当x增加1,y则减少1

      • 即,每当第一颗鸡蛋测试一次,那么所留给第二颗鸡蛋探查的范围就应该减少1
    • 例如:

      • 如果n=10,那么第一次探查了20楼,使用了一次机会,如果碎了,确定的范围是1~19,那么,第二颗鸡蛋需要使用10-1次机会去探查19层,在最糟糕的情形下显然无法完成。

      • 显然当n=10时,第一次探查为10楼显然更合适,确定下来的范围是1~9,第二颗鸡蛋使用10-1次探查9层楼,最糟糕的情形下也能满足。

      • 如果探查10楼后鸡蛋没碎,而在第二次探查时碎了呢?我们第二次探查应该把范围再缩小1,如果第一个鸡蛋多探查一次,那么留给第二颗鸡蛋的探查机会就少一次,我们要保证在最糟糕的情形下也能探查到,所以留给第二颗鸡蛋的探查范围应该与其探查机会相等。即第一颗鸡蛋的第二次机会应该探查第19层,确定下来的范围需要探查的范围是11~18,第二颗鸡蛋的剩余探查次数刚好为10-2,匹配成功

      • ·····

      • 根据以上分析,我们可以发现,每一次的探查范围都减一,即n-1,n-2,n-3,....2,1,0

      • 最后我们的探查范围会缩小到0

      • 那么我们把这些探查范围加起来,再加上n就是我们的探查总范围

    • 即n+(n-1)+(n-2)+······+3+2+1+0=100

      • 我们先假设最坏情况下,鸡蛋下落次数为x,即我们为了找出N,一共用鸡蛋做了x次的实验。

      • 假设第一次是在第y层楼扔的鸡蛋, 如果第一个鸡蛋在第一次扔就碎了,我们就只剩下一个鸡蛋,要用它准确地找出N, 只能从第一层向上,一层一层的往上测试,直到它摔坏为止,答案就出来了。

      • 由于第一个鸡蛋在第y层就摔破了, 所以最坏的情况是第二个鸡蛋要把第1到第y-1层的楼都测试一遍,最后得出结果, 噢,原来鸡蛋在第y-1层才能摔破(或是在第y-1层仍没摔破,答案就是第y层。) 这样一来测试次数是1+(y-1)=x,即第一次测试要在第x层。

      • OK, 那如果第一次测试鸡蛋没摔破呢,那N肯定要比x大,要继续往上找,需要在哪一层扔呢? 我们可以模仿前面的操作,如果第一个鸡蛋在第二次测试中摔破了, 那么第二个鸡蛋的测试次数就只剩下x-2次了(第一个鸡蛋已经用了2次)。 这样一来,第二次扔鸡蛋的楼层和第一次扔鸡蛋的楼层之间就隔着x-2层。

      • 我们再回过头来看一看,第一次扔鸡蛋的楼层在第x层,第1层到第x层间共x层; 第1次扔鸡蛋的楼层到第2次扔鸡蛋的楼层间共有x-1层(包含第2次扔鸡蛋的那一层), 同理继续往下,我们可以得出,第2次扔鸡蛋的楼层到第3次扔鸡蛋的楼层间共有x-2层, ……最后把这些互不包含的区间数加起来,应该大于等于总共的楼层数量100,即x + (x-1) + (x-2) + ... + 1 >= 100

      • 注:算式中的项表示的是第一颗鸡蛋走的层数,因此是从n开始。

    • 解刚好为正整数14,即使用此策略最多探查14次即可在100楼中找到临界楼层

    • 另外,当探查总范围发生改变时,解的n可能为小数,显然,探查次数只能为整数且n越小探查总范围越小,

    • 即n应向上取整

    • 我先用第1个鸡蛋在以下序列表示的楼层数不断地向上测试,直到它摔破。 再用第2个鸡蛋从上一个没摔破的序列数的下一层开始,向上测试, 即可保证在最坏情况下也只需要测试14次,就能用2个鸡蛋找出从哪一层开始, 往下扔鸡蛋,鸡蛋就会摔破。

    • 14, 27, 39, 50, 60, 69, 77, 84, 90, 95, 99, 100

      • 比如,我第1个鸡蛋是在第77层摔破的,那么我第2个鸡蛋就从第70层开始,向上测试, 第二个鸡蛋最多只需要测试7次(70,71,72,73,74,75,76),加上第1个鸡蛋测试的 7次(14,27,39,50,60,69,77),最坏情况只需要测试14次即可得出答案。

    代码实现

    • 这个问题还有一个泛化的版本,即d层楼,e个鸡蛋,然后设计方案找出N, 使最坏情况下测试的次数最少。这个要用动态规划(DP)来解。

    • f[d][e]表示d 层楼,e个鸡蛋时,最坏情况下的测试次数,则:

    • f[d][e]=min{max(f[d-i][e]+1,f[i-1][e-1]+1)},i=1,2,...,d;

    • f[k][1]=k,0<=k<=d,f[0][0...e]=0;

    • 实现代码如下:

    int min_testnumber(int d, int e)  
    {  
            int **f=new int *[d+1];  
            int i,j,k;  
            for(i=0;i<=d;i++)  
                f[i]=new int[e+1];  
            for(i=0;i<=d;i++)  
                f[i][1]=i;  
            for(i=0;i<=e;i++)  
                f[0][e]=0;  
            for(i=1;i<=e;i++)  
            {  
                for(j=1;j<=d;j++)  
                {  
                    int tmp;  
                    int min_test=0x7FFFFFFF;  
                    for(k=1;k<=j;k++)  
                    {  
                        tmp=f[j-k][i]+1>f[k-1][i-1]+1?f[j-k][i]+1:f[k-1][i-1]+1;  
                        if(tmp>min_test)  
                            min_test=tmp;  
                    }  
                    f[j][i]=min_test;  
                }  
           }  
           return f[d][e];  
    }
    

    扩展

    • 如果我们有三个鸡蛋,有k次机会,我们最大可以测试多少层楼?

      • 思路同前面一样,第一次测试,不能太高也能太矮,必须恰到好处,也就是第一枚鸡蛋如果破碎,剩余k-1次机会能将剩余楼层给测试完。

      • 由上面结论,k-1次机会最多可以测试k(k-1)/2层楼,所以第一次在k(k-1)/2+1层楼,第一次如果第一枚鸡蛋不碎,第二次在此基础上增加(k-1)(k-2)/2+1层楼,于是,三个鸡蛋k次机会总共测试楼层数为

      • k=9.

    • 至于四个鸡蛋,五个鸡蛋,以至于M个鸡蛋,可以以此类推,方法同上。

    参考链接

    END

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