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數學智力題:扔雞蛋(2)

來源:網絡資源 文章作者:奧數網整理 2019-06-08 15:28:19

智能內容

  【答案】

  A:計算機學生可能會首先用第一個雞蛋做二分搜索(O(logN))再用第二個遞增做線性搜索(O(N)),最后必將用線性搜索結束因為用第二個雞蛋時你無法確定最高一層。因此,問題變為如何使用第一個雞蛋來減少線性搜索。

  于是如果第一個蛋破裂在最高點我們要扔x-1次并且我們必須從x層高扔第一個蛋。現在如果第一個蛋的第一次扔沒有破裂,如果第一個蛋在第二次扔破了我們要扔x-2次第二個蛋。假如16是答案,我需要扔16次才能找到答案。來驗證一下是否可以從16層開始扔,首先從16層扔如果它破裂了,我們嘗試所有其下的樓層從1到15;如果沒破我們還能扔15次,于是我們將從32層(16+15+1)再扔。原因是如果它在32層破裂我們能嘗試其下所有樓層從17到31最壞扔第二個蛋14次(總共能扔16次了)。如果32層并沒破,我們還剩下能扔13次,依此類推得:

  1+1516如果它在16層破裂,從1到15層最壞扔15次第二個蛋

  1+1431如果它在31層破裂,從17到30層最壞扔14次第二個蛋

  1+1345.....

  1+1258

  1+1170

  1+1081

  1+991

  1+8100在最后我們能輕易地做到因為我們有足夠多扔的次數來完成任務

  從上表我們能看到最佳的一個在最后一步將需要0次線性搜索。

  能把上述規律寫為:(1+p)+(1+(p-1))+(1+(p-2))+.........+(1+0)>=100.

  令1+p=q上述式子變為q(q+1)/2>=100,對100解答得到q=14。

  扔第一個蛋從層14,27,39,50,60,69,77,84,90,95,99,100直到它破裂,再開始扔第二個蛋。最壞情況只需14次。

  在只有一個雞蛋時,保險起見,我們只能從一樓開始,一層一層地試驗,看看雞蛋有沒有被摔爛。這樣最精確,但是消耗的時間也最久。如果我們事先就知道這個雞蛋不被摔碎的最高落下點在30層到75層之間,我們最多也只要嘗試45次就能知道結果。現在我們手上有兩個雞蛋,根據上面的分析,一個合理的策略就是用第一個雞蛋確定出一個較小的樓層范圍,然后在這個范圍里用第二個雞蛋從下往上逐層嘗試。

  比如說讓第一個雞蛋每隔5層試驗一次。當它在某一層被摔爛時,也就意味著確定了一個4層的待測試寬度(為什么是4層呢?假如雞蛋在5樓的時候沒破,10樓的時候破了,那么我們就只需要知道雞蛋在6,7,8,9層的結果)。這時候,用第二顆雞蛋一層一層地嘗試,就能用較少的次數找出雞蛋剛好摔不爛的高度。

  需要注意的是,如果想留給第二顆雞蛋較小的測試寬度,就要縮短第一個雞蛋的測試跨度。相應的,也就增加了嘗試次數。為了確定合適的跨度,使得總試驗次數之和盡可能小,我們可以采取如下的辦法。

  設跨度是L,第一顆雞蛋的嘗試次數就是[100/L],第二顆雞蛋的嘗試次數就是L-1,因此嘗試次數總和就是[100/L]+L-1。根據這個公式,我們可以列出下面這個表:

  可以看出,我們只需要選8-13之間的一個寬度,都能使得總嘗試次數是19次。

  但問題是,這已經是最優策略了嗎,有沒有更好的方法呢?

  有的。上面的方法固定了第一顆雞蛋的測試跨度,如果我們靈活變動,就能使得總嘗試次數變得更少。首先,我們選擇從14樓丟下第一顆雞蛋。如果它破碎了,我們就從1樓開始,逐層丟第二顆雞蛋,最多試14次便能得到答案。如果它沒有破碎,那我們往上走13層,在27樓第二次丟下第一顆雞蛋。此時如果雞蛋碎了,那我們只需要在15層到26層之間用第二顆雞蛋進行最多12次試驗即可,加上第一顆雞蛋的兩次嘗試,仍然是14次。類的,依次減小測試跨度,如果雞蛋足夠頑強,那我們丟下第一顆雞蛋的樓層就分別是14,27,39,50,60,69,77,84,90,95,99以及最后的100層。因為第一顆雞蛋每多嘗試一次,第二顆雞蛋需要嘗試的最大次數就減少一次,因此,總嘗試次數的最大可能一直是不變的,保持在14次。用這種方法,我們只需要不超過14次的嘗試就能夠找出答案。有沒有更優的策略了?感興趣的讀者可以自行思考。

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