• 常见算法之14---球放入盒问题


    N个球放入M个盒子中的问题研究:

    本来这是组合数学中的问题,但近年来公务员考试,企业面试经常会涉及到这个问题。

    这个问题并非咋一看上那么容易,不妨自己先动手计算一下下面几个题目:

    情形1 N个不同的球,放入M个不同的盒子,允许盒子为空的放法。

    情形2 N个不同的球,放入M个不同的盒子,盒子不为空的放法。

    情形3 N个相同的球,放入M个不同的盒子,允许盒子为空的放法

    情形4 N个相同的球,放入M个不同的盒子,盒子不为空的放法。

    情形5 N个相同的球,放入M个相同的盒子,允许盒子为空的放法。

    情形6 N个相同的球,放入M个相同的盒子,盒子不为空的放法。

    情形7 N个不同的球,放入M个相同的盒子,允许盒子为空的放法。

    情形8 N个不同的球,放入M个相同的盒子,盒子不为空的放法。

     

    ==================分割线=========================


    假定:c(N,M)表示为从n个项中挑选出m个项的方案数。

    情形1 N个不同的球,放入M个不同的盒子,允许盒子为空的放法。
    每个球都可以随意放,有M个选择,故共M^N种方式。

     

    情形2 N个不同的球,放入M个不同的盒子,盒子不为空的放法。
    首先,从N个球中选出M个球,将这M个球排列。(相当于每个盒子里放一个)c(N,M)*M!种
    然后,剩下的N-M个球就可以随意放了。M^(N-M)种
    综上,c(N,M)*M!*[M^(N-M)]

     

    情形3 N个相同的球,放入M个不同的盒子,允许盒子为空的放法。
    根据隔板原理:将N个球排成一列,中间插入M-1个隔板,分成M个堆,其中允许隔板相邻,也可以放在两边。
    N个球时,有N+1个空;插入一个板后,有N+2个空....故一共有(N+1)*(N+2)....*(N+M-1)种。
    但板子的插入顺序是没有要求的,所以我们要去除重复的情形。板子的顺序有(M-1)!
    综上,有(N+1)*(N+2)....*(N+M-1)/(M-1)!种情形。

     

    情形4 N个相同的球,放入M个不同的盒子,盒子不为空的放法。
    首先,因为是不允许盒子为空,所以先取出M个球,每个盒子放一个。处理完此步骤之后,只有一种状态(因为球都一样)。
    此时就相当于将N-M个相同的球,放入M个不同的盒子中了,允许为空的情形了。
    所以此情形的方案数等同于N-M个球时的情形3。

     

    情形5 N个相同的球,放入M个相同的盒子,允许盒子为空的放法。
    因为其他盒子和球都是相同的,重复情形太多了。最终感觉还是穷举法最好一些。
    可以将此题等同于将数字N进行分解,使分解和为N。
    按照分解为1个数的情形,2个数的情形...M个数的情形。
    为了防止有重复情形,分解的数字按照非严格递增的顺序来排列。

     

    情形6 N个相同的球,放入M个相同的盒子,盒子不为空的放法。
    这种情形,等同于N-M个球的情形5。(相当于先拿出M个球,各放入一个后,再按情形5来计算。)


    情形7 N个不同的球,放入M个相同的盒子,盒子不为空的放法。
    使用隔板法,板子不能插入两边,两个板子也不能相邻。
    假如N个球一列排开,第一个板子有N-1个选择,第二个板子有N-2种选择.....第M-1个板子有N-M+1种选择。共计(N-1)*(N-2)*...*(N-M+1)。

    因为板子是相同的,没有先后之分,有(M-1)!种方式。
    再考虑到球都是不同的,有N!种排列方法。
    故有N!*(N-1)*(N-2)*...*(N-M+1)/(M-1)!种方法。

     

    情形8 N个不同的球,放入M个相同的盒子,允许盒子为空的放法。
    分情况考虑:放入了1个盒子中,放入两个盒子中,....放入了M个盒子中。
    而上面分别对应了情形7中,M=1,M=2....M=M的情形,分别计算出求和即可。

     

    注:以上都是个人思考的,并非摘抄自权威来源,可能会有错误,欢迎讨论!

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