从几个有趣的故事说起,聊聊里面的算法【玩转算法】

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叶一一 发表于 2023/05/29 14:29:19 2023/05/29
【摘要】 将算法题目转换成趣味小故事,这样的形式有助于吸引开发者阅读的兴趣。本文从几个有趣的故事说起,聊聊里面的算法。

前言

提到故事我就来劲头了。一方面,我喜欢读故事、讲故事、搜集故事,另一方面,用讲故事的方式会为学习增加一些趣味性,有兴趣可以帮助坚持下去。

下面要介绍的故事,有些大家应该不陌生。我之前有读到过,但是没有认真的研究过,有种熟悉的陌生感。

今天分享读了的故事、研究了的解题过程、顺便总结的一些算法知识点和经验。


故事来咯

棋与麦子

故事内容

传说西塔发明了国际象棋而使国王十分高兴,他决定要重赏西塔,西塔说:“我不要您的重赏 ,陛下,只要您在我的棋盘上赏一些麦子就行了。在棋盘的第1个格子里放1粒,在第2个格子里放2粒,在第3个格子里放4粒,在第4个格子里放8粒,依此类推,以后每一个格子里放的麦粒数都是前一个格子里放的麦粒数的2倍,直到放满第64个格子就行了”。国王觉得几粒麦子,这要求很简单,满口答应着,令人如数付给西塔。

摆放麦子的工作开始了,没多久一袋麦子就空了。一袋又一袋的麦子被扛到国王面前来。但是,麦粒数一格接一格飞快增长着,国王很快就看出来,即便拿出全国的粮食,也兑现不了他对西塔的诺言。

所以64个格子到底能放多少粒麦子呢?

解题过程

假设总和是S,那么计算表达式是这样的:

将等式①等式左右两侧同时乘以2,等式依旧成立:

好,现在将两个等会进行相减,会得到下面的等式:

我用计算机算了一下S最终的值是18446744073709551615。

这么多粒麦子多重呢?百度中查到的小麦为0.023-0.058克左右,取个平均数吧,0.041克。

18446744073709551615✖️0.041 = 75631650702209152(克)

转换一下单位

≈ 7563 (亿吨)

这个数据相当可观,对比感受一下它大到什么程度。

据国家公布的数据,我们已经连续5年时间小麦年产量达到1.3亿吨。

书中提到这种函数被称为爆炸增量函数。时间复杂度是O()。想想,随着n的值不断增加,这个算法会怎么样?比如购物网站的下单系统,使用人数不断增加,页面可能会出现白屏、无法完成支付等问题。

O()也就是指数时间复杂度的运行效率极差,这样是算法要谨慎使用。

在设计算法的时候,一定要注意算法复杂度增量的问题,尽可能避免使用爆炸增量函数。

兔子数列

故事内容

一般而言,兔子在出生两个月后,就有繁殖能力,一对兔子每个月能生出一对小兔子来。如果所有兔子都不死:

第一个月小兔子没有繁殖能力,所以还是一对;

两个月后,生下一对小兔对数共有两对;

三个月以后,老兔子又生下一对,因为小兔子还没有繁殖能力,所以一共是三对;

......

那么12个月之后会有多少兔子呢?

解题过程

首先,先研究一下兔子出生和成熟规律,这个规律借助表格更加直观:

月数

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

成兔对数

0

1

1

2

3

5

8

13

21

34

55

89

初生对数

1

0

1

1

2

3

5

8

13

21

34

55

总对数

1

1

2

3

5

8

13

21

34

55

89

144

从第二个月开始,就有规律了,每过一个月,初生兔子变成熟,成熟兔子生出一对兔子,就有这样的等式:

  • 初生对数=前一月的成兔对数
  • 成兔对数=前一月的成兔对数+前一月的初生对数
  • 总体对数=本月的成兔对数+本月的初生对数

这么有趣的规律,数学家就开始整活了,数学家莱昂纳多·斐波那契以兔子繁殖为例子引入了菲波那切数列,又称为“兔子数列”。

菲波那切数列如下:

1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……

递归表达式:

重点来了,这个算法如何设计?

function fibFunc(n) {
  if (n < 1) {
    return 1;
  }
  if (n === 1 || n === 2) {
    return 1;
  }
  let f1 = 1;
  let f2 = 1;
  for (let i = 3; i <= n; i++) {
    f2 = f2 + f1; // 辗转相加法
    f1 = f2 - f1; // 记录前一项
  }
  return f2;
}
console.log(fibFunc(1)); // 1
console.log(fibFunc(2)); // 1
console.log(fibFunc(3)); // 2
console.log(fibFunc(11)); // 89

该算法的复杂性为:

空间复杂度:O(n)

时间复杂度:O(1)

未完待续

果然故事有趣,学起来也轻松不少。

还有一个更有趣的故事,叫做自然界里关于斐波那契的巧合。精炼一下这个故事就是

树木抽长新枝条的规律、一些花的花瓣数量,都符合斐波那契数列。而这种自然现象,是因为这些植物按照自然的规律才进化成这样。似乎是植物排列种子的“优化方式”,便于更好的生存和生长。

我有种不但逐渐熟悉了算法,还学习了自然相关的新知识的双重收获的快乐感觉。

老实说,除了故事本身,逐渐找到规律、研究规律,并找到对应的算法,真是一件非常愉快的事。

对算法的学习,逐渐上头。



作者:非职业「传道授业解惑」的开发者叶一一简介:「趣学前端」、「CSS畅想」系列作者,华夏美食、国漫、古风重度爱好者,刑侦、无限流小说初级玩家。如果看完文章有所收获,欢迎点赞👍 | 收藏⭐️ | 留言📝。

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