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一道阿里笔试题

战报交流:战场上不同的位置有N个战士(n>4),每个战士知道当前的一些战况,现在需要这n个战士通过通话交流,互相传达自己知道的战况信息,每次通话,可以让通话的双方知道对方的所有情报,设计算法,使用最少的通话次数,使得战场上的n个士兵知道所有的战况信息,不需要写程序代码,得出最少的通话次数。
我能想到的最少通话次数等于2n-4,不知正解为多少
算法该如何设计


a,b,c,d,e.通话
a--b,b--c;d--e;b--d;c--e;a--(b or c or d or e)。 6次通信
通过分组(a,b,c;d,e),每组进行通信,每组中有两人掌握了组内所有信息,两组中两人分别交换信息,可以比2n-3少一次。
所以可以通过分组,减少通信次数。


我觉得即便求出最少值,算法也未必好实施。 容易实现的算法就是一个中心节点,2n-3次通信。


信息走向图如上,走了不到两圈。由于仅走一圈的有两步,因此2(n-1)-2 = 2n - 4。另外一种思路见下图,分治法,n分成最小为4个战士的单元,然后每层进行通信。同样是2n-4。


S1 S2 ... Sn

n个战士,S1挨个和S2 S3 ... Sn交流,按照条件

每次通话,可以让通话的双方知道对方的所有情报

当交流到Sn时,S1获得了所有位置同时Sn也获得了所有位置,接下来S1再和S2 S3 ... Sn-1 交流自己的信息,所有人都有信息了。

总数 n-1 + n-2 = 2n-3

-----分割线------

如果解为2n-3,那么若有4个战士,代入方程,得到结果 2*4-3=5,但是按照LZ的补充4个战士的最小解可以为4,OMG。

所以就不妨参照4个战士4次互通消息可以知道所有情报。

记下来每增加一个战士X,X只要和战士S1报告一下(是不是打入狼牙山4战士内部了),然后4战士交互完以后,X再和S1报告一下(套取内部资料),结果X也有所有的情报了。

类推,只要战士总数N>4,那么总次数 Sum = (N-4)*2 + 4 = 2N-4


智商低,所以算法题一般喜欢画图来分析。

1~4 步:收集信息,即 N-1 次

5~7 步:同步信息,即 N-2 次

最后可得:(N-1)+(N-2) == 2N-3

这里可能会有一个错误

在到最后一步时,将 2号 与 3号 进行交换信息,要注意,他们分别只掌握了前2个和前3个的信息,都没有第4个的信息,他们的交换无法得到全部的信息。


这道题以前做过,正解应当是 2n - 3 。可以很容易证明增加一个人最多需要2次沟通(详见下面的方案)。问题在于怎么证明增加一个人最少需要2次沟通。后者能证明的话,通过归纳法就可以很容易地得出这个结论。下面给出一个可能不够严谨的证明吧。

记最少的沟通次数 y 为人数 x 的函数, y = f(x)。

由于每次沟通只能在两个人之间,在n个人里面收集所有信息,至少需要 n - 1 次沟通;某个人将自己的信息告诉所有其他人也至少需要 n - 1 次沟通。由于“同步信息”所需的次数显然不可能少于收集信息,所以有 f(x) >= x - 1 。

将所有人分成 p 堆(1 <= p < n),第i堆有 a[i] 个人。于是问题可以拆成3个步骤:

  1. 在每堆里面任选一个人收集该堆的信息,需要 sum(a[i] - 1) = n - p 次沟通。
  2. 在这些选出来的p个人中同步信息,需要 f(p) 次。于是这p个人都知道了所有的信息。
  3. 每堆内再同步信息,又是 sum(a[i] - 1) = n - p 次。

总共需要 g(n, p) = 2(n - p) + f(p) 次沟通,所以 y = f(x) = max(g(n, p)) ,O(n^2)的算法,对于不大的n可以很容易地求出来这个最小值;当然这不是我们的目标。下面是重点,描述可能很奇葩,我尽量。。。

这时候如果新增一个人:如果把他放在任意一堆里面,那么至多且至少需要增加2次沟通(在1、3步里面各一次);如果把他另起一堆,于是问题变成递归地求解 f(p+1) 比 f(p) 至少要增加几次。

按照上面的逻辑,把这p+1个人分成q组(1 <= q < p),新增的那个人所在的组 要么多于1个人(于是至少也要增加2次沟通),要么只有一个人(相当于增加一个组),于是又变成递归地求解f(q) 比 f(q-1) 至少要增加几次…… 不断递归,最后组的数量会得到一个比较小的值,比如3,这时候就很容易证明,新增的这个人至少需要增加2次沟通才能够同步信息。

证毕。

至于设计算法,那就太简单了:从a开始依次传递到z,然后在从y依次传递回a,这就是 2n - 3 次。如下所示:

a = b = c = …… = y - z


|| 说明: 为了讲得更详细,下面说得比较啰嗦。

先思考这么个问题:

有a个node的cluster1和b个node的cluster2.(a>=2,b>=2) 如何连接使得cluster1,cluster2的node拥有cluster1和cluster2的全部信息?

1) 对于cluster1,必须存在一个状态,即至少有1个node拥有cluster1的全部信息,因为我们的目的是拥有cluster1和cluster2的全部信息。 此时至少需要a-1次连接,即单链,此时有且仅有2个node拥有全部信息。额外的a-2个node都不需要知道cluster1全部信息,因为如果要知道就需要1次连接,但由于它还需要是知道cluster2的信息,因而还需要1次。后面我们发现这是多余的。

    A_1 ->A_2->A_3....->A_{a-1} -> A_a  //A_{a-1},和A_a拥有A_1,A_2,A_3,..A_a的全部信息。

2) 对于cluster2也一样,至少需要b-1次连接使得B{b-1}和Bb拥有B1,B2,...B{b-1},Bb的全部信息。额外的b-2个node都不需要知道cluster2全部信息

3) 当cluster1和cluster2连接时,我们希望所有node都拥有全部信息。只有且仅有A{a-1},Aa与B{b-1},Bb连接一次,才能使得有node具有cluster1和cluster2的全部信息。当有一个node具有全部信息时,它与其他任何node1次连接就能使该node得到全部信息,这也是为什么上面说多余。

A{a-1} 与B{b-1} , Aa与Bb (或A{a-1}与Bb, Aa 与B{b-1})共两次连接,使得这4个node拥有全部信息。

除了这4个node外,其他node相互连接都无法得到全部信息。

这4个node与,其他node 通过一次连接使得该node 具有全部信息。

///////////////////////////////////////////////////////////////////////

  1. 分成两组:1) 2个node,2) n-2个node ;
  2. 2个node需要连接1次,使得2个node拥有2个节点信息;
  3. n-2个node至少需要n-3次连接,使得最后连接的2个node拥有这n-2个node的信息;
  4. 第一组的2个node与第n-2组的最后两个node(即获得该组全部信息的2个nodes)分别连接; 于是4个节点得到全部信息,连接了2次。这里是为什么节约了一次连接的关键。
  5. 剩下的n-4个node都没有获得全部信息,每个node至少需要一次连接。因此至少需要n-4次连接。用拥有全部信息的其中一个node与剩下的n-4个node连接。则只需要n-4次。
  6. 得总过需要1+(n-3)+2+(n-4)= 2n-4.

需要注意的是:每次连接有且仅有两个node

你或许会问 为什么分成两组。因为即使分成很多组,最终还是归结为两组的形式。

// 对于这点,有人还有些疑问,这里给出更多的说明。

假如分成3,4.5..个组。。当第k组(a个node)与第k+1组(b个node)混合一个组(cluster),至少需要的连接数1次,这种情况下,有且仅有2个node具有这两个cluster的全部信息。那么这个cluster至少有(a-1)+(b-1)+1 = (a+b)-1个连接,这与一个cluster的情况完全一致。

补充: y= 2n-4; 还可以使用数学归纳法证明。

k=4时,至少需要4次。4=2*4-4(自己画图试试吧);

...

设k=n,y=2n-4;

k=n+1时,将信息传递过程分成两个阶段:1)收集所有node信息。2)收集完之后,分发给信息不全的node。收集第n+1个node的信息时1次,在分发全部时1个,共2个。得y = 2n -4 +2= 2(n+1)-4;


先是一个人和n-1人通话,之后就产生了2个全知的人,因为剩下n-2个人都不全知所以至少要被再交互1次,并且此n-2个中任何两个不全知的人交互都没有意义,必须交互一个全知的人,这样就产生了3个全知和n-3个非全知,同理这n-3个必须同那3个全知中的一个交互,以此类推,直到最后一个非全知被交互,所以是n-2,所以总共是n-1+(n-2)=2n-3


我简单的模拟了几个数字,得出一下结论:
n r
1 0
2 1
3 3
4 3
5 6
6 8
......

所以可以得出结论: 2n - 4


我想应该是2n-3,设a,b,c,d,e,e告诉d,d告诉c,如此类推,b告诉完a之后,其实a,b都知道所有人的情报了,此时只需要c,d,e都知道即可。假设每两个人之间的通话不重复,即a和b不会产生两次对话,那么上述情景则需要通话2n-3;

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