圆圈中最后剩下的数字(36)

本文探讨了约瑟夫环问题,通过两种方法解决了在n个小朋友中每隔m位小朋友出列并挑选礼物的问题,直至剩最后一人。方法一利用环形链表模拟圆圈,时间复杂度为O(mn),空间复杂度为O(n)。方法二采用迭代公式f(n,m)优化了算法,避免了重复遍历和额外空间需求。

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题目

【首先,让小朋友们围成一个大圈,小朋友的编号是从0到n-1。然后随机指定一个数m,让编号为0的小朋友开始报数。每次喊到 m-1 的那个小朋友要出列唱首歌,然后可以在礼品箱中任意的挑选礼物,并且不再回到圈中,从他的下一个小朋友开始,继续0…m-1报数…这样下去…直到剩下最后一个小朋友,求最后一个小朋友的编号。如果没有小朋友,请返回-1】


方法一

1、分析

  • 该题是约瑟夫环问题,可以采用环形链表的方式来模拟圆圈。该环形链表共有n个节点,每次删除第m-1个节点(从0开始计数)。
  • 使用标准模板库中的list来进行操作,每次删除一个元素需要运行 m 步,若共有n个数字,则其时间复杂度为 O ( m n ) O(mn) O(mn) ,同时还需要一个辅助的链表来模拟圆圈,其空间复杂度 O ( n ) O(n) O(n)

2、代码

class Solution {
public:
    int LastRemaining_Solution(int n, int m)
    {
        if(n<1 || m<1)
            return -1;
        list<int> num;
        for(int i=0;i<n;++i)
            num.push_back(i);
        list<int>::iterator curNum=num.begin();
        while(num.size()>0)
        {
            if(num.size()==1)
                return  *curNum;
            //注意初始时迭代器是指向第一个元素,所以是从j=1开始,而不是0
            for(int j=1;j<m;++j)
            {
                curNum++;
                if(curNum==num.end())
                {
                    curNum=num.begin();
                }
            }
            list<int>::iterator nextNum=++curNum;
            if(nextNum==num.end())
                nextNum=num.begin();
            num.erase(--curNum);
            curNum=nextNum;
        }
    }
};

方法二:

1、分析

  • 由于使用环形链表的方式来删除对应的元素,每次删除元素会有大量的重复遍历过程,且需要借助额外的空间,所以可以使用更好的方法。
  • 当有n个元素时,删除第m个元素,则第一个被删除的元素为 k = ( m − 1 ) % n k=(m-1)\%n k=(m1)%n (因为m可能会大于n,所以要对n取模)。剩下的为 0,1,2······,k-1, k+1,···,n-1 。并且下一次删除数字时从 k+1 开始计数,相当在剩下的序列中 k+1 排在最前面: k+1,···,n-1 , 0,1,2······,k-1。
  • 可以将该过程看成关于 m 和 n 的函数,设: f ( n , m ) f(n,m) f(n,m) 为在n个数字中不断的删除第m个数字,最后所剩下的数字。设 g ( n − 1 , m ) g(n-1,m) g(n1,m) 为删除第一个数字之后,所剩下的数字中再不断的删除第m个数字,最后所剩下的数字。显然 f ( n , m ) = g ( n − 1 , m ) f(n,m)=g(n-1,m) f(n,m)=g(n1,m)
  • 接下来将 k+1,···,n-1 , 0,1,2······,k-1 这些数字映射成 0~n-2 的序列

k+1 --> 0
k+2 --> 1
·······
n-1 --> n-k-2
0 --> n-k-1
1 --> n-k
····
k-1 --> n-2

最终的迭代公式为: f ( n , m ) = { 0 n = 1 [ f ( n − 1 , m ) + m ] % n n > 1 f(n,m)=\begin{cases} 0 & n=1\\ [ f(n-1,m)+m]\%n & n>1 \end{cases} f(n,m)={0[f(n1,m)+m]%nn=1n>1
2、代码

class Solution {
public:
    int LastRemaining_Solution(int n, int m)
    {
        if(n<1 || m<1)
            return -1;
        int last=0;
        for(int i=2;i<=n;++i)
        {
            last=(last+m)%i;
        }
        return last;
    }
};
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