算法思維精選習(xí)題

我先給大家講一個(gè)故事:

一位法國數(shù)學(xué)家曾編寫過一個(gè)印度的古老傳說:在世界中心貝拿勒斯(在印度北部)的圣廟里,一塊黃銅板上插著三根寶石針媒楼。印度教的主神梵天在創(chuàng)造世界的時(shí)候,在其中一根針上從下到上地穿好了由大到小的64片金片镇眷,這就是所謂的漢諾塔吧史。不論白天黑夜,總有一個(gè)僧侶在按照下面的法則移動(dòng)這些金片:一次只移動(dòng)一片蕴轨,不管在哪根針上港谊,小片必須在大片上面。僧侶們預(yù)言橙弱,當(dāng)所有的金片都從梵天穿好的那根針上移到另外一根針上時(shí)歧寺,世界就將在一聲霹靂中消滅燥狰,而梵塔、廟宇和眾生也都將同歸于盡斜筐。

問題一可以簡單描述為:

如果把64個(gè)金片由一根針上移動(dòng)到另一根針上龙致,并且始終保持下小上大的順序,要多少次移動(dòng)顷链?先看演示圖:

先假設(shè)金片數(shù)為N目代,移動(dòng)次數(shù)為M。

N=1嗤练,M=1

N=2榛了,M=3,

N=3,M=7

...................

N=64煞抬,M=2^64-1 ?這是一個(gè)很大的數(shù)字了霜大。

假如每秒鐘一次,共需多長時(shí)間呢革答?一個(gè)平年365天有 31536000 秒战坤,閏年366天有31622400秒,平均每年31556952秒蝗碎,計(jì)算一下湖笨,

18446744073709551615/31556952=584554049253.855年

這表明移完這些金片需要5845億年以上。

我的天哪1钠铩4仁 !C吖健1甙堋!



? ? ? ?梅森素?cái)?shù)捎废,(MersennePrimes)是17世紀(jì)法國數(shù)學(xué)家笑窜、法蘭西科學(xué)院奠基人馬林?梅森所發(fā)現(xiàn)的。

? ? ? ?梅森素?cái)?shù)指形如2^p-1的正整數(shù)登疗,其中指數(shù)p是素?cái)?shù)排截,常記為Mp。若Mp是素?cái)?shù)辐益,則稱為梅森素?cái)?shù)断傲。

p=2,3智政,5认罩,7時(shí),Mp都是素?cái)?shù)续捂,但M11=2047=23×89不是素?cái)?shù)垦垂,是否有無窮多個(gè)梅森素?cái)?shù)是數(shù)論中未解決的難題之一宦搬。

截至2016年1月累計(jì)發(fā)現(xiàn)49個(gè)梅森素?cái)?shù),最大的是p=2^74207281-1(被稱為M74207281)劫拗,此時(shí) Mp 是一個(gè)22338618位數(shù)间校。

四色定理簡潔證明及其漏洞

四色定理:任何一張正規(guī)地圖,只用四種顏色就能夠使得有相同邊境的國家著上上不同的顏色页慷。

證明如下:

假設(shè)存在一個(gè)數(shù)目N,國家數(shù)目達(dá)到N時(shí)撇簿,就可以構(gòu)造一個(gè)地圖――它必須用五種顏色著色(四色不夠)。這也就是假設(shè)去掉其中任何一個(gè)國家差购,數(shù)目成為N-1時(shí),它應(yīng)當(dāng)可以用四種顏色著色汉嗽。

現(xiàn)在我們用反證法證明欲逃。

假設(shè)我們能夠證明:如果N-1個(gè)國家的地圖能用四色著色,把去掉的一個(gè)加上去也能饼暑,那么我們就證明了不存在這樣一個(gè)N,也就證明了四色定理稳析。

根據(jù)歐拉定理,任何一個(gè)地圖,必然存在一國(稱之為X國)弓叛,其相鄰國家數(shù)目不大于5彰居。或者說撰筷,其鄰國可能是1個(gè)陈惰,2個(gè),3個(gè)毕籽,4個(gè)抬闯,或5個(gè)。

(歐拉定理請(qǐng)自行百度)

這樣关筒,我們就從有個(gè)N國家的地圖中拿掉X這一國家溶握,這時(shí)它應(yīng)當(dāng)可以用四色著色。現(xiàn)在蒸播,如果我們能證明睡榆,把X國放回到著好四色的N-1國地圖中,通過系統(tǒng)顏色變換袍榆,也能用四色著色胀屿,這樣就證明了四色定理。

假如X國鄰國只有1蜡塌,2碉纳,3國,這是簡單的馏艾,著第四種顏色就是±筒埽現(xiàn)在考慮四鄰國和5鄰國奴愉。

前人已經(jīng)通過2色通道的概念,證明四鄰國可以為X國著色而不增加顏色數(shù)目铁孵。參看圖1(其中R,G,B,Y分別表示紅锭硼,綠,藍(lán)蜕劝,黃四色)



圖1四鄰國問題



一個(gè)二色通道是由交替著上兩種不同顏色的國家連成的檀头。上面兩個(gè)通道BY通道和RG通道總有一個(gè)是不通的。假設(shè)RG通道不通岖沛,則把和R國以及與之相連的RG通道1上的國家的顏色R和G互換暑始,再把X國著上R就行了.

著好色的地圖如圖二。

圖2.四鄰國問題解決


剩下的硬骨頭是5鄰國問題婴削。我們假設(shè)最壞的情況――X鄰國已經(jīng)有四種顏色±染担現(xiàn)在我們可以畫圖三所示四個(gè)通道。

圖3五鄰國問題



1)BY通道是通的唉俗,RG通道必然不通嗤朴,這好解決――改變與G國相連的RG通道顏色,再把X著色成G就行虫溜。

2)BG通道是通的雹姊,RY通道必然不通,這也好解決――改變與Y國相連的RY通道顏色衡楞,再把X著色成Y就行吱雏。

3)BY通道和BG通道都不通,則RG通道和RY通道必然是通的瘾境。即如果下面兩個(gè)通道不通坎背,則上面兩個(gè)通道必然是通的。這時(shí)寄雀,我們把和左B相連的BY通道(a)顏色對(duì)調(diào)得滤,和右B相連的BG通道(b)顏色對(duì)調(diào),然后把X著成B就是盒犹。參看圖4懂更。


圖4五鄰國問題解決


到此5鄰國問題圓滿解決,四色定理證明大功告成急膀。


這是我20年前的證明沮协。當(dāng)時(shí)我沒看到Kempe的具體證明,也不知道別人提出的反例究竟如何卓嫂。我把它投寄給一位再報(bào)上介紹四色定理的數(shù)學(xué)學(xué)者慷暂,他也沒發(fā)現(xiàn)漏洞。后來倒是我自己發(fā)現(xiàn)了漏洞――圖3中如果上面兩條通道交叉晨雳,證明就會(huì)失敗行瑞。參看圖5奸腺。

圖5上兩個(gè)通道交叉導(dǎo)致證明失敗的反例


具體圖例:

圖6反例


我把這個(gè)看似簡潔正確方法公布出來,或許可以讓后來者少走彎路血久。

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