话题引入(参考自百度百科–约瑟夫问题)

约瑟夫问题,是一个计算机科学和数学中的问题,在计算机编程的算法中,类似问题又称为约瑟夫环,又称“丢手绢问题”。

问题来历

据说著名犹太历史学家Josephus有过以下的故事:在罗马人占领乔塔帕特后,39 个犹太人与Josephus及他的朋友躲到一个洞中,39个犹太人决定宁愿死也不要被敌人抓到,于是决定了一个自杀方式,41个人排成一个圆圈,由第1个人开始报数,每报数到第3人该人就必须自杀,然后再由下一个重新报数,直到所有人都自杀身亡为止。然而Josephus 和他的朋友并不想遵从。首先从一个人开始,越过k-2个人(因为第一个人已经被越过),并杀掉第k个人。接着,再越过k-1个人,并杀掉第k个人。这个过程沿着圆圈一直进行,直到最终只剩下一个人留下,这个人就可以继续活着。问题是,给定了和,一开始要站在什么地方才能避免被处决。Josephus要他的朋友先假装遵从,他将朋友与自己安排在第16个与第31个位置,于是逃过了这场死亡游戏。

17世纪的法国数学家加斯帕在《数目的游戏问题》中讲了这样一个故事:15个教徒和15 个非教徒在深海上遇险,必须将一半的人投入海中,其余的人才能幸免于难,于是想了一个办法:30个人围成一圆圈,从第一个人开始依次报数,每数到第九个人就将他扔入大海,如此循环进行直到仅余15个人为止。问怎样排法,才能使每次投入大海的都是非教徒。

话题讨论

我们学校最近两次的蓝桥杯校选拔赛都出现过约瑟夫问题,怎么说呢,这种类型的题目虽然不难,而且当时我也做出来了,但是需要时间,脑海中没有一个清晰的框架,做是做出来了,也是比较模糊的那种一步步模拟出来的,可能稍微变一下型又要想一会时间了。

刚好今天偶遇这条题,就顺便记录一下,也总结出了一个模板,下次遇到直接套用就完事,省时省力。

分析

环形圈可以将其转换为一个一维列表来存储。

先以问题一为例,如果跟着题目思路走的话应该就是从起始位置出发,定义一个指针,指向此时走到的位置。开始往后数,每数到3就把一个元素给踢走,反复这么做。当遍历完列表最后一个元素后, 指针又返回第一个元素,重新遍历,重复上面动作,直到选出最后所需元素为止。

上面说的方法,是比较容易想到的方法,我称其为“完全模拟法”,就是完全跟着题目思路走一步步模拟的。这种思路的优点就是比较容易想到,缺点就是容易出错,每弹出一个元素,列表长度会改变,相应的往后元素的下标值也会发生改变,这时要十分注意,稍微不小心就会出错。

那么我们就想想有没有什么方法能够避免这种情况。

方法当然是有的,而且很多,我就以其中一种方法为例讲解一下。

思路

我们把环形圈当成一个列表队列,每次报数当做是队列元素的出队入队操作,我们定义一个计数器,记录此时报到第几个元素,每次只对列表首个元素进行判断,如果报到3,就将它踢出队列,否则,将它放到队尾。不断循环出队入队操作,直到队中元素个数满足要求为止。

这么做其实跟“完全模拟法”的思路差不多的,都没有改变元素的相对顺序,但这么做能够减少因为列表长度变换而引起的麻烦。

如果思路不懂的同学可以手写模拟一下出队入队的过程。

还有一种高阶的做法是,公式法,找出其中的数学规律进行解答,时间空间都能够优化到极致。

模板

这里我总结出了一个模板,可应对总人数不同,间隔数不同,剩余人数不同的情况。 但空间时间效率优化的不够好,面对大额数时会显得比较鸡肋,因此,模板适用于竞赛填空题。

n,m,k= map(int,input().split())  # n,m,k分别表示 总人数,间隔数,剩余人数

nums = [i for i in range(1,n+1)]  # 人数列表

cnt = 1   # 计数器

while len(nums) > m:  # 如果列表长度大于剩余人数,则循环操作列表

    num = nums.pop(0)  # 弹出一个元素

    if cnt < k:  # 如果没有踩雷那么就将其放入队尾

        nums.append(num)

        cnt += 1  # 计数器加1

    else:  # 踩雷就不放回队尾了
        
        cnt = 1  # 计时器加1

print(nums)  # 打印符合条件的列表元素

模板使用

根据模板代码,我们就能解决问题1跟问题2了。

先看问题1,共41个人,要剩余2个人,间隔数是3那么输入然后返回的结果就是:

Python约瑟夫环用pop 约瑟夫环 python_出队

问题2 共30个人,要剩余15个人,间隔数是9.那么结果是:

Python约瑟夫环用pop 约瑟夫环 python_开发语言_02


公式法

Python约瑟夫环用pop 约瑟夫环 python_出队_03


每次模拟下标得出胜利者位置,从根据间隔数,将结果从后往前推。

Python约瑟夫环用pop 约瑟夫环 python_python_04

n, k = map(int,input().split())

result = 0  # 表示最后生存者编号

for i in range(2,n+1):
	# 模拟队列,从后往前推生存者所处下标	
    result = (result + k) % i    # k 表示间隔数,i表示队列长度

print(result+1)  # 得出长度为n的队列后,返回生存者下标并加1