第2章 数字之魅——找符合条件的整数
2015-07-05 19:42
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找符合条件的整数
问题描述
任意给定一个正整数N,求一个最小的正整数M(M>1),使得N*M的十进制表示形式里只含有1和0。解决这个问题首先考虑对于任意的N,是否这样的M一定存在。可以证明,M是一定存在的,而且不唯一。
简单证明:因为
这是一个无穷数列,但是数列中的每一项取值范围都在[0, N-1]之间。所以这个无穷数列中间必定存在循环节。即假设有s,t均是正整数,且s<t,有 。于是循环节长度为t-s。于是10^s = 10^t。因此有:
,所以
例如,取N=3,因为10的任何非负次方模3都为1,所以循环节周期为1.有:
分析与解法
【解法一】
给定N,令M从2开始,枚举M的值直到遇到一个M使得N*M的十进制表示中只有1和0。代码如下:
package chapter2shuzizhimei.findminint; /** * 找符合条件的整数 * 【解法一】 * @author DELL * */ public class FindMinInt1 { //判断整数的十进制表示中是否只有0和1 public static boolean hasOnlyOneAndZero(long x){ while(x!=0){ if(x%10>=2) return false; x /= 10; } return true; } //找符合条件的最小的正整数 public static long findMin(long n){ for(int i=2;;i++){ if(hasOnlyOneAndZero(i*n)) return i; } } public static void main(String[] args) { long n = 3; System.out.println("使得与"+n+"的乘积的十进制表示形式里只有1和0的最小正整数为:"+findMin(n)); } }
程序运行结果如下:
使得与3的乘积的十进制表示形式里只有1和0的最小正整数为:37
【解法二】
求出10的次方序列模N的余数序列并找出循环节。然后搜索这个余数序列,搜索的目的就是要在这个余数序列中找到一些数出来让它们的和是N的倍数。例如N=13,这个序列就是1,10,9,12,3,4然后不断循环。很明显有1+12=13,而1是10的0次方,12是10的3次方,所以这个数就是1000+1=1001,M就是1001/13=77。【解法三】
因为N*M的取值就是1,10,11,100,101,110,111,......所以直接在这个空间搜索,这是对方法一的改进。搜索这个序列直到找到一个能被N整除的数,它就是N*M,然后可计算出M。例如N=3时,搜索树如下:上图中括号内表示模3的余数。括号外表示被搜索的数。左子树表示0,右子树表示1.上图中搜索到第二层(根是第0层)时遇到111,它模3余数为0.所以N*M=111, M=111/3=37。
具体实现代码如下:
package chapter2shuzizhimei.findminint; import java.util.LinkedList; import java.util.Queue; /** * 找符合条件的整数 * 【解法三】 * @author DELL * */ public class FindMinInt3 { //找符合条件的最小的正整数 public static long findMin(long n){ Queue<Long> queue = new LinkedList<Long>(); queue.add((long) 1); long temp; //存放取出的队首元素 while(true){ temp = queue.poll(); if(temp%n==0) return temp/n; queue.add(temp*10); queue.add(temp*10+1); } } public static void main(String[] args) { long n = 3; System.out.println("使得与"+n+"的乘积的十进制表示形式里只有1和0的最小正整数为:"+findMin(n)); } }
程序运行结果如下:
使得与3的乘积的十进制表示形式里只有1和0的最小正整数为:37
【解法四】
对方法三的改进。将方法三的搜索空间按模N余数分类,使得搜索时间和空间都由原来的指数级降到了O(N)。改进的原理:假设当前正在搜索由0,1组成的K位十进制数,这样的K位十进制数共有2^k个。假设其中有两个数X、Y,它们模N同余,那么在搜索由0、1组成的K+1位十进制数时,X和Y会被扩展出四个数:10X, 10X+1, 10Y, 10Y+1。因为X和Y同余(同余完全可以看作相等),所以10X与10Y同余,10X+1与10Y+1同余。也就是说由Y扩展出来的子树和由X扩展产生出来的子树产生完全相同的余数,如果X比Y小,那么Y肯定不是满足要求的最小的数,所以Y这棵子树可以被剪掉。这样,2k个数按照模N余数分类,每类中只保留最小的那个数以供扩展。原来在这一层需要搜索2k个数,现在只需要搜索O(N)个数。例如,当N=9时,第0层是1(1),如上图所示,第2层的110,第三层的1010、1110都因为同一层有和它同余且更小的数而被剪掉。如果按照方法三搜索,第三层本来应该有8个结点,但现在只有4个结点。
只需要将10k%N的结果与余数信息数组里非空的元素相加,再去模N,看看会不会出现新的余数。
具体代码如下:
package chapter2shuzizhimei.findminint; import java.util.LinkedList; import java.util.Queue; /** * 找符合条件的整数 * 【解法四】 * @author DELL * */ public class FindMinInt4 { //找符合条件的最小的正整数 public static long findMin(long n){ long[] a = new long[(int) n]; //a[i]记录模n余i之后的数值 for(int i=0;i<n;i++){ //初始化数组 a[i]=-1; } int factor = 1; a[1] = 1; int i; for(i=0; ;i++){ factor *= 10; int current = (int) (factor % n); if(current == 0){ a[current] = factor; //保存余数为0的数 return factor/n; } if(a[current]==-1){ a[current] = factor; } //将当前的余数跟余数数组里面的余数相加mod n int k; //存放前面的余数 //将当前的余数与前面的余数都相加再模上n,若产生新的余数的数值保存下来,另外若得到与以前相同的数值,不更新,因为要保存最小的 for(k=1;k<n;k++){ if(a[k]==-1) continue; int newyu = (int) ((current+k)%n); //新产生的余数不存在,将factor与k相加,得到新的数,只与小于factor的数进行想加,不要与后面的相加,与factor相加的数一定要小于factor if(a[newyu]==-1&&a[k]<factor){ a[newyu] = factor + a[k]; if(newyu==0) return a[newyu]/n; } } } } public static void main(String[] args) { long n = 3; System.out.println("使得与"+n+"的乘积的十进制表示形式里只有1和0的最小正整数为:"+findMin(n)); } }
程序运行结果如下:
使得与3的乘积的十进制表示形式里只有1和0的最小正整数为:37
参考链接:
编程之美——找符合条件的整数
编程之美 找符合条件的整数
编程之美 找出符合条件的整数
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