题目背景
“……在 2002 年 6 月之前购买的百事任何饮料的瓶盖上都会有一个百事球星的名字。只要凑齐所有百事球星的名字,就可参加百事世界杯之旅的抽奖活动,获得球星背包,随声听,更可赴日韩观看世界杯。还不赶快行动!”
题目描述
你关上电视,心想:假设有 nn 个不同的球星名字,每个名字出现的概率相同,平均需要买几瓶饮料才能凑齐所有的名字呢?
输入格式
输入只有一行一个整数,表示不同球星名字的个数 nn。
输出格式
输出凑齐所有的名字平均需要买的饮料瓶数。如果是一个整数,则直接输出,否则应该直接按照分数格式输出,例如五又二十分之三应该输出为:
3
5--
20
第一行是分数部分的分子,第二行首先是整数部分,然后是由减号组成的分数线,第三行是分母。减号的个数应等于分母的位数。分子和分母的首位都与第一个减号对齐。
分数必须是不可约的。
输入输出样例
输入 #1复制
2
输出 #1复制
3
输入 #2复制
17
输出 #2复制
340463 58------ 720720
说明/提示
数据规模与约定
对于全部的测试点,保证 2 \leq n \leq 332≤n≤33。
我确信洛谷和网上的题解大部分都是错的,少部分是对的的也并没有说清楚。
比如说这个题极限的思想,我没有看到一个提出来的。
首先得明白一点,当已经买到所有的名字以后,是不需要再买的。针对于子问题也这样想。
从两个方面分别具体说说这个题目。
一、对每一步暴力极限求解。
令f[i]f[i]表示已经买到ii个球星的期望购买次数。
我们由f[i]f[i]推f[i+1]f[i+1]
下一次购买可以买到不同球星的概率是\frac{n-i}{n}nn−i
下两次购买可以买到不同球星的概率是\frac{i}{n} \times \frac{n-i}{n}ni×nn−i 注意到这时第一次买到的情况已经忽略了
...
下kk次购买可以买到不同球星的概率是(\frac{i}{n})^{k-1} \times \frac{n-i}{n}(ni)k−1×nn−i
假设第kk次就是正无穷次
则此步的期望即为
E=1 \times \frac{n-i}{n}+2 \times \frac{i}{n} \times \frac{n-i}{n}+3 \times (\frac{i}{n})^2 \times \frac{n-i}{n}+...+k \times (\frac{i}{n})^{k-1} \times \frac{n-i}{n}E=1×nn−i+2×ni×nn−i+3×(ni)2×nn−i+...+k×(ni)k−1×nn−i
则有
\frac{i}{n} \times E=1 \times \frac{i}{n} \times \frac{n-i}{n}+2 \times (\frac{i}{n})^2 \times \frac{n-i}{n}+3 \times (\frac{i}{n})^3 \times \frac{n-i}{n}+...+k \times (\frac{i}{n})^k \times \frac{n-i}{n}ni×E=1×ni×nn−i+2×(ni)2×nn−i+3×(ni)3×nn−i+...+k×(ni)k×nn−i
错位相减
E\approx 1+\frac{i}{n}+(\frac{i}{n})^2+...(\frac{i}{n})^{k-1}E≈1+ni+(ni)2+...(ni)k−1
此步中采用极限的思想丢了一些00的项,用“\approx≈”表示采用极限思想,实际上极限是准确值,不需要“\approx≈”,此处只是为了标示,下同。
由等比数列公式
E=1+\frac{\frac{i}{n}-(\frac{i}{n})^k}{\frac{n-i}{n}}E=1+nn−ini−(ni)k
\approx \frac{n}{n-i}≈n−in
所以我们得出
f[i+1]=f[i]+\frac{n}{n-i}f[i+1]=f[i]+n−in
则
f[n]=n \times (\frac{1}{1}+\frac{1}{2}+...+\frac{1}{n})f[n]=n×(11+21+...+n1)
二、神奇的自己推自己的方法
同样令f[i]f[i]表示已经买到ii个球星的期望购买次数。
如果从上一个推过来,为
f[i]+=(f[i-1]+1)\times \frac{n-(i-1)}{n}f[i]+=(f[i−1]+1)×nn−(i−1)
如果从当前推过来,为
f[i]+=(f[i]+1)\times \frac{i}{n}f[i]+=(f[i]+1)×ni
发现概率之和并不等于1,也就是说,这样写是有问题的。
从上一个推过来肯定没问题,我们考虑从当前推当前的意义。
“买了一个,买的是自己有的的概率”
然而我们考虑最开始说的一句话
“当已经买到所有的名字以后,是不需要再买的。”
也就是说,我们这样写可能把自己买了很多遍,而事实上是并不需要再买的。
于是我们修改一下意义
为“买了一个,买的是自己有的且不是自己的概率”
则推过来就是
f[i]+=(f[i]+1)\times \frac{i-1}{n}f[i]+=(f[i]+1)×ni−1
那我们这个什么时候买呢?
极限的思想,在最后买时,对期望的影响是微乎其微的
把这两项加起来并化简
就得到了
f[i]=f[i-1]+\frac{n}{n-i+1}f[i]=f[i−1]+n−i+1n
和上一个方法的结果是一样的
关于合并两个值并不是一样的f[i]f[i],用的也是极限的思想
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