计算1至n中数字X出现的次数

参考文献：http://www.cnblogs.com/cyjb/p/digitOccurrenceInRegion.html

一、1的数目

编程之美上给出的规律：

1. 如果第i位（自右至左，从1开始标号）上的数字为0，则第i位可能出现1的次数由更高位决定（若没有高位，视高位为0），等于更高位数字X当前位数的权重10^i-1。

2. 如果第i位上的数字为1，则第i位上可能出现1的次数不仅受更高位影响，还受低位影响（若没有低位，视低位为0），等于更高位数字X当前位数的权重10^i-1+（低位数字+1）。

3. 如果第i位上的数字大于1，则第i位上可能出现1的次数仅由更高位决定（若没有高位，视高位为0），等于（更高位数字+1）X当前位数的权重10^i-1。

二、X的数目

这里的 X∈[1,9]，因为 X=0 不符合下列规律，需要单独计算。

首先要知道以下的规律：

• 从 1 至 10，在它们的个位数中，任意的 X 都出现了 1 次。
• 从 1 至 100，在它们的十位数中，任意的 X 都出现了 10 次。
• 从 1 至 1000，在它们的百位数中，任意的 X 都出现了 100 次。

依此类推，从 1 至 10ⁱ，在它们的左数第二位（右数第 i 位）中，任意的 X 都出现了 10ⁱ⁻¹ 次。

这个规律很容易验证，这里不再多做说明。

接下来以 n=2593,X=5 为例来解释如何得到数学公式。从 1 至 2593 中，数字 5 总计出现了 813 次，其中有 259 次出现在个位，260 次出现在十位，294 次出现在百位，0 次出现在千位。

现在依次分析这些数据，首先是个位。从 1 至 2590 中，包含了 259 个 10，因此任意的 X 都出现了 259 次。最后剩余的三个数 2591, 2592 和 2593，因为它们最大的个位数字 3 < X，因此不会包含任何 5。（也可以这么看，3<X，则个位上可能出现的X的次数仅由更高位决定，等于更高位数字（259）X10^1-1=259）。

然后是十位。从 1 至 2500 中，包含了 25 个 100，因此任意的 X 都出现了 25×10=250 次。剩下的数字是从 2501 至 2593，它们最大的十位数字 9 > X，因此会包含全部 10 个 5。最后总计 250 + 10 = 260。（也可以这么看，9>X，则十位上可能出现的X的次数仅由更高位决定，等于更高位数字（25+1）X10^2-1=260）。

接下来是百位。从 1 至 2000 中，包含了 2 个 1000，因此任意的 X 都出现了 2×100=200 次。剩下的数字是从 2001 至 2593，它们最大的百位数字 5 == X，这时情况就略微复杂，它们的百位肯定是包含 5 的，但不会包含全部 100 个。如果把百位是 5 的数字列出来，是从 2500 至 2593，数字的个数与百位和十位数字相关，是 93+1 = 94。最后总计 200 + 94 = 294。（也可以这么看，5==X，则百位上可能出现X的次数不仅受更高位影响，还受低位影响，等于更高位数字（2）X10^3-1+（93+1）=294）。

最后是千位。现在已经没有更高位，因此直接看最大的千位数字 2 < X，所以不会包含任何 5。（也可以这么看，2<X，则千位上可能出现的X的次数仅由更高位决定，等于更高位数字（0）X10^4-1=0）。

到此为止，已经计算出全部数字 5 的出现次数。

总结一下以上的算法，可以看到，当计算右数第 i 位包含的 X 的个数时：

1. 取第 i 位左边（高位）的数字，乘以 10ⁱ⁻¹，得到基础值 a。
2. 取第 i 位数字，计算修正值：
   1. 如果大于 X，则结果为 a+10ⁱ⁻¹。
   2. 如果小于 X，则结果为 a。
   3. 如果等 X，则取第 i 位右边（低位）数字，设为 b，最后结果为 a+b+1。

相应的代码非常简单，效率也非常高，时间复杂度只有 O(log₁₀n)。

三、上代码

 

    /**
     * @param n
     * @param x [1,9]
     * @return
     */
    public int NumberOfXBetween1AndN_Solution(int n,int x) {
        if(n<0||x<1||x>9)
            return 0;
        int high,low,curr,tmp,i = 1;
        high = n;
        int total = 0;
        while(high!=0){
            high = n/(int)Math.pow(10, i);// 获取第i位的高位
            tmp = n%(int)Math.pow(10, i);
            curr = tmp/(int)Math.pow(10, i-1);// 获取第i位
            low = tmp%(int)Math.pow(10, i-1);// 获取第i位的低位
            if(curr==x){
                total+= high*(int)Math.pow(10, i-1)+low+1;
            }else if(curr<x){
                total+=high*(int)Math.pow(10, i-1);
            }else{
                total+=(high+1)*(int)Math.pow(10, i-1);
            }
            i++;
        }
        return total;        
    }

 

问题：

给定一个十进制正整数N，写下从1开始，到N的所有整数，然后数一下其中出现的所有“1”的个数。

例如：
N= 2，写下1，2。这样只出现了1个“1”。

N= 12，我们会写下1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12。这样，1的个数是5。

问题一：

写一个函数f(N),返回1到N之间出现1的个数，比如f（12）= 5。

解法一：

让我们首先想到的一个方法是：遍历1~N，统计每个数1出现的个数，相加便得到所有1的个数。

[cpp]  view plain copy

1. #include<stdio.h>  
2. #include<stdlib.h>  
3. #include<string.h>  
4. long long int Count(long long int n){  
5.     long long int count = 0;  
6.     while(n){  
7.         count += (n % 10 == 1)?1:0;  
8.         n = n / 10;  
9.     }  
10.     return count;  
11. }  
12. int main()  
13. {  
14.     long long int n,i,count;  
15.     while(scanf("%lld",&n) != EOF){  
16.         count = 0;  
17.         for(i = 1;i <= n;i++){  
18.             count += Count(i);  
19.         }  
20.         printf("%lld\n",count);  
21.     }  
22.     return 0;  
23. }  

这个方法虽然很容易想，但是不是一个好方法。致命问题就是效率问题。如果给定的N很大，需要很长时间才能得出计算结果。

解法二：

分析的出规律。

<1>1位数情况

这个简单，如果N = 3，那么从1到3的所有数字：1,2,3，只有个位数出现1，而且只出现一次。可以发现，N是个位数时，N >=1,那么f（N）= 1；N = 0，f（N）= 0；

<2>2位数情况

<3>3位数情况

同理分析4位数，5位数。。。。。

设N = abcde ,其中abcde分别为十进制中各位上的数字。

如果要计算百位上1出现的次数，它要受到3方面的影响：百位上的数字，百位一下（低位）上的数字，百位一上（高位）上的数字。

如果百位上数字为0，百位上可能出现1的次数由更高位决定。比如：12013，则可以知道百位出现1的情况可能是：100~199，1100~1199,2100~2199，，.........，11100~11199，一共1200个。可以看出是由更高位数字（12）决定，并且等于更高位数字（12）乘以 当前位数（100）。

如果百位上数字为1，百位上可能出现1的次数不仅受更高位影响还受低位影响。比如：12113，则可以知道百位受高位影响出现的情况是：100~199，1100~1199,2100~2199，，.........，11100~11199，一共1200个。和上面情况一样，并且等于更高位数字（12）乘以 当前位数（100）。但同时它还受低位影响，百位出现1的情况是：12100~12113,一共114个，等于低位数字（113）+1。

如果百位上数字大于1（2~9），则百位上出现1的情况仅由更高位决定，比如12213，则百位出现1的情况是：100~199,1100~1199，2100~2199，...........，11100~11199,12100~12199,一共有1300个，并且等于更高位数字+1（12+1）乘以当前位数（100）。

[cpp]  view plain copy

1. /*N = abcde 百位上数字是c 
2. 仅以求百位上出现1的情况为例。 
3. */  
4. int count = 0;  
5. //百位上数字为0,百位上可能出现1的次数由更高位决定  
6. if(c == 0){  
7.     //等于更高位数字（ab）* 当前位数（100）  
8.     count += ab*100;  
9. }  
10. //百位上数字为1,百位上可能出现1的次数不仅受更高位影响还受低位影响  
11. else if(c == 1){  
12.     //更高位数字（ab） *  当前位数（100） + 低位数字（de）+1  
13.     count += ab*100 + de + 1;  
14. }  
15. //百位上数字大于1（2~9）,百位上出现1的情况仅由更高位决定  
16. else{  
17.     //（更高位数字+1（ab+1））* 当前位数（100）  
18.     count += (ab + 1) * 100;  
19. }