【转】立方体的体对角线穿过多少个正方体?

 

 

问题描述:

长方体长X,宽Y,高Z。X、Y、Z都是正整数。长方体由长1、宽1、高1的正方体堆积而成。那么长方体的体对角线穿过多少个正方体?

 

这个题考量三维空间的想象。近日研究的时候,尝试先考量二维的情况,在求解出二维的情况下,在推广到三维里。下面是二维情况下的问题描述

 

长方形长X,宽Y。X、Y都是正整数。长方形由长1、宽1的正方形组成。那么长方形的对角线穿过多少个正方形?

 

 

以实例说明。长方形长6,宽4。长方形由长1、宽1的正方形组成。那么长方形的对角线穿过多少个正方形?

这个还是比较简单的,直接用图表示即可,如下图所示:

 

1

 

如上图所示,对角线一共穿过8个正方形(灰色部分)。但是,我们不可能每个问题都画图表示,比如长777,宽581的长方形的解就很难画图表示(数字太大,不容易精确表示)。

仔细看看,这8个正方形实际上把对角线分成了8段。线段的端点是对角线和水平线(或竖直线)的交点。

于是,问题似乎可以转化成

要求穿过多少个正方形,实际上相当于求有多少个线段

要求有多少个线段,实际上相当于求对角线和水平线和垂直线的交点的个数

 

把上图放在平面直角坐标系中,左下角坐标为(0,0),右上角坐标为(6,4)

则对角线的直线方程为

 

clip_image002

 

和我们一般想象中的直线方程不太一样。没关系,首先这个是正确的直线方程,其次是为了和后面的三维中的直线方程的表现形式统一。

我们把对角线和水平线(或竖直线)的交点在图上标示出来(为了后文的描述方便,我用不同颜色标示点)

 

2

左下角的起点用灰色标示,红色的点标示对角线和竖直线的交点(交点的横坐标是整数),绿色的点标示对角线和水平线的交点(交点的纵坐标是整数)

起点不算,则穿过的方块数和线段数和点的个数一致(都是8个)。

 

红色点的坐标(横坐标是整数)分别是:

clip_image002[4]

个数和长方形的长的数值是一致的(是6)

 

绿色点的坐标(纵坐标是整数)分别是:

clip_image002[6]

个数和长方形的宽的数值是一致的(是4)

 

可以看出,红色点和绿色点有2个点是重合的(图上用半红半绿的点标示),因此这些点合在一起就是如下(按照和起点的远近来进行排序)

clip_image002[8]

 

于是该问题的求解过程可以如下表示:

1、求出横坐标是整数的点的个数,就是长方形长的数值。本题是6

2、求出纵坐标是整数的点的个数,就是长方体宽的数值。本题是4

3、求出步骤1和步骤2中重合的点的个数,也就是横纵坐标都是整数的点的个数。本题是2

4、问题的答案:步骤1的答案+步骤2的答案-步骤3的答案。本题是6+4-2=8

 

步骤1、2、3、4中,关键是步骤3,如何求出步骤1和步骤2中重合的点的个数,也就是横纵坐标都是整数的点的个数。

 

最大公约数:正整数a和b,若a能被b整除,则a是b的倍数,b是a的约数。正整数a和b中约数最大的那个称为a和b的最大公约数,记作gcd(a,b)

 

本题中,(4,6)=2,正好是步骤3的答数,是巧合么?不是,接下来我们来证明。

 

证明:长X、宽Y的长方形,对角线经过双整数点(横纵坐标都是整数)的个数为gcd(X,Y)(注:不算起点)

证:令x1=X/gcd(X,Y),y1=Y/gcd(X,Y)。则x1和y1都是整数,且x1和y1互质(除1以外,没有公约数)。

对角线所在的直线方程为

clip_image002

当x取整数时(1≤x≤X)时,要使y也是整数,则x必须取x1的倍数(这样才能把分母完全约掉)

而在1到X之间,x1的倍数一共有gcd(X,Y)个

证明完毕

 

综上所述:长方形长X,宽Y。X、Y都是正整数。长方形由长1、宽1的正方形组成。那么长方形的对角线穿过多少个正方形?

其解为:Ans=X+Y-gcd(X,Y),可以用下图表示

3

 

例如:

长6,宽4的长方形的对角线穿过6+4-gcd(6,4)=6+4-2=8个正方形

长5,宽3的长方形的对角线穿过5+3-gcd(5,3)=5+3-1=7个正方形

长12,宽8的长方形的对角线穿过12+8-gcd(12,8)=12+8-4=16个正方形

 

扩展到三维。长方体长X,宽Y,高Z。X、Y、Z都是正整数。长方体由长1、宽1、高1的正方体堆积而成。那么长方体的体对角线穿过多少个正方体?

长X、宽Y、高Z的立方体的体对角线的直线方程是

clip_image002[5]

这个方程虽然有点怪,但是学过空间解析几何的都明白这个方程的正确性

 

求解的过程和二维的类似,也是找寻坐标是整数的点。可以用下图表示:

4

 

 

其解为:Ans=X+Y+Z-gcd(X,Y)-gcd(X,Z)-gcd(Y,Z)+gcd(X,Y,Z)

例如:

长5,宽3,高4的长方体的体对角线穿过5+3+4-gcd(5,3)-gcd(5,4)-gcd(3,4)+gcd(5,3,4)=5+3+4-1-1-1+1=10个正方体

长8,宽6,高3的长方体的体对角线穿过8+6+3-gcd(8,6)-gcd(8,3)-gcd(6,3)+gcd(8,6,3)=8+6+3-2-1-3+1=12个正方体

长12,宽8,高6的长方体的体对角线穿过12+8+6-gcd(12,8)-gcd(12,6)-gcd(8,6)+gcd(12,8,6)=12+8+6-4-6-2+2=16个正方体

 

 

下图是长5,宽3,高4的长方体的体对角线穿过正方体的示意图,一共10个正方体,你看清了么?

3-4-5

<think>好的,我需要回答用户关于微服务架构下Redis的应用场景与实现方案的问题。首先,根据用户提供的引用内容,我需要整理Redis微服务中的主要应用场景,并结合实际案例和实现方案详细说明。 首先,用户提到的引用[3]和引用[4]中提到了Redis作为缓存、分布式锁、消息队列和会话管理。这四个方面应该是重点。我需要逐一展开每个应用场景,说明其原理和实现方法,比如分布式锁的实现可能涉及到SETNX命令,或者RedLock算法。同,引用中提到了配置服务器和发现服务器,但可能用户更关注主流应用,所以是否需要包含这部分要看引用是否充分支持。不过引用[3]提到可以作为配置或发现服务器,可能需要简要提及。 其次,最佳实践部分需要结合引用中的信息,例如引用[4]提到的缓存加速、分布式锁机制、发布订阅模式以及会话管理。这里需要具体说明如何配置Redis,比如设置过期间、持久化策略,以及使用Redisson等客户端库来简化分布式锁的实现。 另外,用户可能需要具体的实现方案示例,比如代码片段或配置示例。比如在缓存服务中,如何与Spring Boot集成,或者在分布式锁中使用Lua脚本保证原子性。不过用户提供的引用中没有具体代码,所以可能需要根据一般知识补充,但需注意准确性。 还需要注意引用中的信息,比如引用[1]提到Redis微服务中的核心概念和算法原理,引用[2]谈到未来的优化方向,这些可以作为补充内容,但用户主要关注当前的应用场景和实现方案,因此重点应放在现有实践上。 可能还需要考虑高可用性和数据一致性,比如使用Redis Sentinel或Cluster来保证可用性,引用[4]提到了这一点,需要包含进去。另外,数据持久化的配置,如RDB和AOF的取舍,也是最佳实践的一部分。 最后,用户的问题还要求生成相关问题,需要根据内容提出三个相关问题,例如性能优化、与其他技术的对比、具体实现中的挑战等。 总结下来,结构应该是先介绍应用场景,每个场景详细说明原理和实现,然后列出最佳实践,最后给出相关问题。需要确保每个部分都有引用支持,并在适当位置添加引用标识,如缓存部分引用[4],分布式锁引用[4]和[3]等。</think>### 微服务架构下 Redis 的应用场景与实现方案 Redis微服务架构中通过其高性能和灵活的数据结构支持,成为解决分布式系统问题的核心工具。以下是其典型应用场景与实现方案: --- #### 一、核心应用场景 1. **缓存加速** - **原理**:将高频访问数据(如数据库查询结果)缓存至内存,减少数据库压力并提升响应速度。 - **实现方案**: - 使用 `SETEX` 或 `EXPIRE` 设置缓存过期间,避免数据不一致。 - 结合 Spring Cache 或 Lettuce 客户端实现注解式缓存[^4]。 - **示例**: ```java // Spring Boot 中缓存用户信息 @Cacheable(value = "userCache", key = "#userId") public User getUserById(String userId) { return userRepository.findById(userId); } ``` 2. **分布式锁** - **原理**:通过原子性操作确保多个服务对共享资源的互斥访问。 - **实现方案**: - 使用 `SET key value NX EX` 命令实现基础锁[^4]。 - 采用 RedLock 算法(多节点 Redis 集群)增强可靠性。 - **示例**: ```lua -- 使用 Lua 脚本释放锁(保证原子性) if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1] then return redis.call("del", KEYS[1]) else return 0 end ``` 3. **消息队列** - **原理**:基于 `PUB/SUB` 或 `List` 结构实现服务间异步通信。 - **实现方案**: - 使用 `LPUSH`/`BRPOP` 实现任务队列(如订单处理)。 - 结合 Stream 数据类型支持消息持久化和消费者组[^3]。 4. **分布式会话管理** - **原理**:集中存储用户会话状态,实现无状态服务。 - **实现方案**: - 将会话数据以 Hash 结构存储,设置 TTL 自动清理过期会话。 - 集成 Spring Session 实现透明化会话管理。 5. **配置中心与服务发现**(扩展场景) - **原理**:利用 Redis 的键值存储特性,动态管理微服务配置或注册信息。 - **实现方案**: - 使用 `HSET` 存储服务实例元数据,`HGETALL` 获取全量配置。 --- #### 二、最佳实践 1. **高可用部署** - 使用 **Redis Sentinel** 实现故障自动转移,或 **Redis Cluster** 支持水平扩展。 - 数据持久化策略:根据需求选择 `RDB`(快照)或 `AOF`(日志追加),平衡性能与可靠性。 2. **性能优化** - Pipeline 批量操作减少网络开销。 - 避免大 Key(如超过 1MB 的 String),优先使用 Hash 或 Sorted Set 分片存储。 3. **安全与监控** - 启用 ACL 访问控制,限制敏感命令(如 `FLUSHDB`)。 - 集成 Prometheus + Grafana 监控内存、QPS 等关键指标。 --- #### 三、典型应用案例 - **电商系统**: - 缓存商品详情页(减少数据库查询 80%+)。 - 使用分布式锁控制库存扣减。 - **社交平台**: - 通过 `Sorted Set` 实现实排行榜。 - 利用 `HyperLogLog` 统计 UV。 --- §§ 1. Redis 如何保证分布式锁的安全性? 2. 在微服务中,Redis 缓存与数据库一致性如何保障? 3. Redis Cluster 和 Sentinel 架构的主要区别是什么? [^1]: 实战:Redis微服务架构中的应用 : Redis微服务架构中的几种应用场景 [^4]: Redis作为一种高性能的内存数据库,被广泛应用于分布式微服务架构中
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