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已知假币问题的问题规模是n,假币比真币轻,使用工具有天平,写出用减治法模拟天平称重求解假币问题的算法。

发布于 2024-05-21 22:58:13

在假币问题中,通常是指有一组硬币之一是轻一些的假币,其他都是重相同的真币。给定一组硬币和一个天平,要确定出哪一枚是假币,并找出假币比其他硬币轻还是重。但是根据您的问题描述,假币一定是比真币轻的,所以我们的算法将着重于识别出较轻的假币。

我们使用天平来判断两组硬币的相对重量,来找出轻的那一组。这里,我们假设天平能够区分重轻,但不能显示确切的重量差异。我们将使用减治法(Divide and Conquer)算法来递归地解决问题。

具体算法如下:

  1. 确定问题规模n。
  2. 若n为1,则返回那一枚硬币就是假币。
  3. 将硬币集分为三等份,每份含有N个硬币,其中N <= (n + 2)/3。
  4. 进行第一次称重:
    • 若N是3的倍数,那么将硬币平均分成三份,分别标记为A, B, C。
    • 对A和B进行称重,假定A和B分别是第一份和第二份硬币。
    • 如果A和B的重量相同,假币在C中,递归对C进行称重。
    • 如果A比B重,假币不在A中,递归对B进行称重。
    • 如果A比B轻,假币不在B中,递归对A进行称重。
  5. 如果N不是3的倍数,需要额外做一次称重:
    • 依旧将硬币分为三组体积相近但不全是N的组,标记为A', B', and C',其中A'有N + 1枚硬币。
    • 对A'和B'进行称重,其他操作同上,如果A'重于B'或者等于B',递归查找更轻的那组。如果B'比A'轻,因为N + 1 > N,我们就可以得知数量少的那组肯定没有假币,假币在C'或者A'中,然后通过调整次递归调用解决。
  6. 如果硬币组数量不是3的整数倍,可能需要做进一步的划分和称重。
  7. 重复步骤4和5,直到找到单一假币。

请注意,这个方法可能不是最优的,因为它不能保证在最小次数的称重中找到假币,但它提供了一个从大到小逐层解决的方式。在特定条件下(例如硬币组数量为3的倍数)能够得到较为简洁的解法。

实际算法还会涉及更微妙的技巧,以及对于包括3种类型的硬币(即除了正常硬币,还可能有更重或更轻的假币)更复杂的处理。理想情况下,找到一个能够在对数级别的称重次数内解决假币问题的算法(类似于经典的线性搜索中的O(log n)),但这里的简单范例可做为理解问题的一个出发点。

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