巧断金链


  一位来自阿肯色州的年轻太太格罗丽亚,正在加利福尼亚州旅行.她想在旅馆租用一个房间,租期一周.办事员此时正心绪不佳.办事员:"房费每天20元,要付现钱.格罗丽亚:"很抱歉,先生,我没带现钱.但是我有一根金链,共7节,每节都值20元以上.办事员:"好吧,把金链给我."   格罗丽亚:"现在不能给你.我得请珠宝匠把金链割断,每天给你一节,等到周末我有了现钱再把金链赎回.办事员终于同意了,但格罗丽亚必须决定如何断开金链的方法.格罗丽亚:"我该三思而行,因为珠宝匠是按照他所切割和以后重新连接的节数来索价的.格罗丽亚想了一下,悟到她不必把每一节都割断,因为她可以把一段段金链换进换出,以这种方式来付房费.当她算出需要请珠宝匠割断的节数时,她几乎不能自信.你想一想需要割开多少节?
  只需要割开一节.这一节应是从一端数起的第三节.把金链断开成1节,2节,4节这样三段后就能以换进换出的方式每天付给办事员一节作为房费.
  啊哈!领悟到下列两点才能解题.第一,至少需要有1节,2节,4节这样三段(即其节数成二重级数的一些段),这样才能以各种不同的组合方式组成1节,2节,3节,4节,5节,6节和7节.我们在药品混乱问题中已经知道,这就是作为二进制记数法基础的幂级数.
  第二,只需要割开一节就可以把金链分成符合要求的三段.关于这个问题,若把金链的长度增加,则可以想出一些新的问题.例如,假设格罗丽亚有一根63节的金链,她想把金链割开,以上面那种方式来付63天的房费(价格不变).要达到此种目的只需要割开三节.你想出来了吗?你能否根据金链的不同长度设计一个通用的解题程序,要求分割开的节数为最少?
  有一个有趣的变相问题:若所经手的 n 节首尾相连的闭合回路,例如说格罗丽亚有一串金项链,由79节相连而成,若每天房费为一节,试问最少需要分割开几节才能支付79天房费?
  所有这些问题都跟二进制记数法有密切的关系.比如格罗丽亚的63节金项链如何分割?只要将63化成二进制表示:等于"111111"即63=1+2+4+8+16+32只要将从第二节开始的两节割开,再将从第八节开始的八节割下来,和从第32节开始的32节割下来即可,这样就有了从1,2,3,4,5,6,直到63的所有节数.一般地,若有 n 节金链, n 是形如 2k-1类型的数,将 n 化成二进制表示,再将所有"1"的位置所代表的2的幂的数相间隔地割开即可达到目的.但是对于其他任意类型的数,却不能奏效,比如对于格罗丽亚的79节金项链,79的二进制记数法表示为"1001111".即79=1+2+4+8+0+0+64,这样从1到15都能表示,可是从16到63都没法表示,我把这个问题做到这里,也一时糊涂起来,但这个问题毕竟不是很复杂,咱们也学一学闵科夫斯基在课堂上口出狂言要解决四色问题的劲头,摸索着来解决一把.咱们可以这样:你不是要求节数最少吗?假设 n=a+b 其中 a 是已经找到的最大的那一节数,b 是比 n 小的已经解决了的金链问题,由于 b 已经解决,因此 b 的拆分能够表示从1,2,3,...b-1,b 的所有金链节数,而再大一些的数就不能够表示了,比如 b+1,所以必须要 a 参加进来,如果 n 是奇数,可令 a=b+1,这样 n=2b+1,所以 b=(n-1)/2,a=(n+1)/2,这样就找到了最大的一节的节数 a ,然后对 b=(n-1)/2继续应用如上的办法,即可解决问题.如果 n 是偶数,可令 a=b ,这样虽然 a 本身不能表示出 b+1,但是可以从 b 的拆分中拿出一个1来(这个1是必须存在的,因为要表示从1,2,3,...b-1,b的所有数)与 a 组成 a+1 也就是 b+1.所以 n=a+b=2a=2b,a=b=n/2.这样也找到了 n 为偶数时最大的一节金链的节数.对于 b 继续如上的过程,就可以找到全部应该断开的金链节数,我算出了从1到15的所有拆分如下:
                                          1=1
                                          2=1+1
                                          3=1+2
                                          4=1+1+2
                                          5=1+1+3
                                          6=1+2+3
                                          7=1+2+4
                                          8=1+1+2+4
                                          9=1+1+2+5
                                          10=1+1+3+5
                                          11=1+1+3+6
                                          12=1+2+3+6
                                          13=1+2+3+7
                                          14=1+2+4+7
                                          15=1+2+4+8
  对于上面的格罗丽亚太太的79节金项链,79+1=80,80/2=40,所以最大的一节就是40节,79-40=39,39+1=40,40/2=20,所以第二大的一节就是20节,39-20=19,19+1=20,20/2=10,第三大的一节是10节,19-10=9,9+1=10,10/2=5,又找到了一节是5,9-5=4,4的表示法如上已经列出来了:4=1+1+2.最后得到79节的金项链的分割法:1,1,2,5,10,20,40.过去我也碰到过一道类似的题,是23节金项链,也能够很容易地解决:23+1=24,24/2=12;23-12=11,11=1+1+3+6;所以23的分割法为:1,1,3,6,12.显然,对于2k-1类型的数,用这里的办法与用二进制记数法得出的结果是一致的.
  从上面所列出的拆分法可以看出,如果 2k=<n<2k+1,那么 n 一定要用 k+1个数来表示,即: n=a0+a1+a2+...+ak.
可以用数学归纳法很容易地证明这是正确的.那么还有没有比这更少的分割法呢?可以证明没有了.从我们的分析方法中可以看出,这是一个构造性的推理过程,假如还有比这更少的分割法,那么相当于在表达式 n=a0+a1+a2+...+ak.中进行了某些组合,比如将a1+a2合并成新的a1,那么原来的有些组合就表示不出来了,例如a0+a2,就没有办法组合了.当然,一个数的拆分不是唯一的,前面的23节金链还可以分成1,2,3,6,11.你可以试试,这种分割法照样能满足要求.前面的分析中也可以把 (n-1)/2 留下来作为最大的节数,但是这样分出来的节数就不一定都是最少的了,例如把15这样分割,会得到:1,1,2,4,7.虽然能够满足付房费的要求,但是就不是最优解了.最后总结一下,把前面的算法过程公式化可以得到:
                        k-1    r-1                   k-1
            n=(n+c0)/2+ ∑ {[n-∑cs2s+cr2r]/2r+1}+[n-∑cr2r]/2k
                        r=1    s=0                   r=0
  其中c0,c1,...ck-1等等是1或是0取决于每一步得出的数的奇偶性.其实最后一项等于1,这样可以得出:
                   k-1
            n-2k = ∑cr2r  
                   r=0

            a0=(n+c0)/2

                  i-1
            ai=[n-∑cs2s+ci2i]/2i+1 1 (i=1,2,3,...k-1)
                  s=0

            ak=1
  当然,编成计算机程序还是用递归程序比较简单.这里列出这些公式是为了保留存照.