05 识别毒酒——几种算法和编码方式的分析和比较

本文探讨了识别毒酒问题的两种方法:最优化模型和编码法。通过最优化模型,需要43个囚犯,而采用编码法,仅需2个囚犯就能在宴会前确定毒酒。编码法利用24进制对酒桶编号,通过囚犯死亡时间确定毒酒位置,有效解决了问题。

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0.说明

  • 本文是鸡年新年计划的内容之一:每周学习一个数学模型,写一篇总结,记录自己学到的东西和遇到的问题。
  • 这些文章并不是相关模型的全面介绍,也不是从最基础的开始,所以不一定适合数学模型的beginner,但都是些很实际的技术,希望能帮到你。
  • 这个问题可以使用多种方法(或模型)解决,本文给出了使用最优化模型和二维编码的方法,但彼此之间的效率差距很大,如果你还知道其他解决方法,欢迎你给我留言!我会不定期更新。

1. 问题 :识别毒酒

请诸位为乌有国王出个主意:有500桶酒,其中1桶是毒酒;毒酒喝下去会在之后的第23-24小时内读法身亡;48小时后要举行酒会;国王决定用囚犯来试酒。
不介意囚犯死多少,只要求用最少的囚犯来测试出哪一桶是毒酒,问最少需要多少囚犯才能保证找出毒酒?

2. 方法1: 视为一个有约束的最优化问题进行求解

添加一个假设:毒酒经充分稀释后仍然致命。
最容易想到的当然是n分法,既高数上的二分法的扩展,以下以三分法为例说明:

将500桶编号,每桶取一杯,将500杯平均分成三组,1-166号倒到一个大杯子里(记为A)、167-333杯(共167杯)倒到一个大杯子里(记为B)、剩下的167杯倒到一个大杯子(记为C),让两个囚犯随便喝两杯(比如A和B),23-24小时后根据囚徒的死亡情况就可以判断毒酒在哪一组。

然后将毒酒所在的组平分为3组,再次安排2个囚犯试喝就可以,……,如此几次就可以得知哪桶酒是毒酒。

需要说明的是,分三组,但并不需要3个囚徒试喝,只需要2个即可,如上例,若A死掉则毒酒在A组;B死掉则在B组;都没死则毒酒在C组。

以上是3分法的情况,对于n分法,识别毒酒就是求在满足(n-1)^m>=500的前提下(n-1)*m的最小值;另外一个约束条件是48小时,所以,最多只能尝试两轮,所以m最多取2

全部模型如下:

max
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