图解约瑟夫环递推公式

约瑟夫问题是个著名的问题,有很多种表述,这里选取一种简单的表述:n个人围成一圈做游戏,每个人都有一个标号从0~n-1,第1个人从0开始报数,报m-1的人(即第m个人)将离开圈子,下一个人接着从0开始报数。如此反复,直到剩下一个人,问最后剩下的那个人标号是几?

例如三个人a, b, c,m=2,则:
第一轮:a、b、c,移除b
第二轮:c、a,移除a
第三轮:c,剩下c

队列的结构

本文主要讲的是递推公式的推导过程,其他解法就不再涉及。

根据游戏规则,每一轮会删除一个元素,经过多轮迭代之后才能知道最终元素是谁,所以对于第1轮,我们不能直接知道最终元素的标号,即图中红色问号位置的index值。

约瑟夫环的递推公式

轮间关系

由于相邻两轮之间存在一定的关系,我们假设:

  1. 有一个函数f(n, m),可以给出游戏开始后的每一轮中最终元素在本轮数列中的位置,不同轮只要传入不同的数列长度即可,目前我们暂时还不知道它的内部实现。

    注意,这里f(n, m)返回的是最终元素在当前轮数列中的位置,这个位置和我们开头所讲的给每个人的标号没有关系。每一轮的起始元素是不一样的,第1轮是从0号元素开始,第2轮则是从M号元素开始,每一轮都是不同的数列。

  2. 假设我们还知道下一轮中最终元素在本轮数列中的位置为x,即f(n - 1, m) = x

  3. 对于最后一轮,很容易得到f(1, m) = 0,因为最后只有一个元素了,这个元素就是最终元素,且index = 0

约瑟夫环的递推公式2.jpg

对于f(n, m),就是我们图上要求的在第1轮中最终元素所处的index,根据第2轮的假设,最终元素在第2轮数列中的index是x,即从M元素开始,向后数x次,即可到达最终元素。由于第2轮只是比第1轮少了元素M-1,所以我们在第1轮的数列中的M元素向后数x次就能找到最终元素。假设x比较小,那么在第1轮中最终元素的index = m + x,如果 m + x > n,则index = L1 - 1,L1 - 1 = (m - 1 + L2 + L1) - n = (m - 1 + L2 + L1)%n = (m - 1 + x + 1)%n = (m + x)%n,其实就是将前面的m + x对n取余,于是有f(n, m) = (m + x)%n = (m + f(n - 1, m))%n

递推公式

根据以上分析,可以得到递推关系:

f(n, m) = (m + f(n - 1, m))%n

f(n - 1, m) = (m + f(n - 2, m))%(n - 1)

......

f(2, m) = (m + f(1, m))%2

f(1, m) = 0

根据f(1, m)一步一步就能算出f(n, m)

def LastRemaining_Solution(n, m):
        if n == 0 or m == 0:
            return -1
        
        # 递推公式f(n, m) = (m + f(n - 1, m))%n
        x = 0
        for nn in range(2, n + 1):
            x = (m + x)%nn
        return x

最终我们求出了第1轮的数列中,最终元素所在的index,此时恰好index与元素的标号是相等的,于是我们可以得出标号为index的元素为最终元素

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