算法思维精选习题

我先给大家讲一个故事:

一位法国数学家曾编写过一个印度的古老传说:在世界中心贝拿勒斯(在印度北部)的圣庙里,一块黄铜板上插着三根宝石针。印度教的主神梵天在创造世界的时候,在其中一根针上从下到上地穿好了由大到小的64片金片,这就是所谓的汉诺塔。不论白天黑夜,总有一个僧侣在按照下面的法则移动这些金片:一次只移动一片,不管在哪根针上,小片必须在大片上面。僧侣们预言,当所有的金片都从梵天穿好的那根针上移到另外一根针上时,世界就将在一声霹雳中消灭,而梵塔、庙宇和众生也都将同归于尽。

问题一可以简单描述为:

如果把64个金片由一根针上移动到另一根针上,并且始终保持下小上大的顺序,要多少次移动?先看演示图:

先假设金片数为N,移动次数为M。

N=1,M=1

N=2,M=3,

N=3,M=7

...................

N=64,M=2^64-1  这是一个很大的数字了。

假如每秒钟一次,共需多长时间呢?一个平年365天有 31536000 秒,闰年366天有31622400秒,平均每年31556952秒,计算一下,

18446744073709551615/31556952=584554049253.855年

这表明移完这些金片需要5845亿年以上。

我的天哪!!!!!!



       梅森素数,(MersennePrimes)是17世纪法国数学家、法兰西科学院奠基人马林•梅森所发现的。

       梅森素数指形如2^p-1的正整数,其中指数p是素数,常记为Mp。若Mp是素数,则称为梅森素数。

p=2,3,5,7时,Mp都是素数,但M11=2047=23×89不是素数,是否有无穷多个梅森素数是数论中未解决的难题之一。

截至2016年1月累计发现49个梅森素数,最大的是p=2^74207281-1(被称为M74207281),此时 Mp 是一个22338618位数。

四色定理简洁证明及其漏洞

四色定理:任何一张正规地图,只用四种颜色就能够使得有相同边境的国家着上上不同的颜色。

证明如下:

假设存在一个数目N,国家数目达到N时,就可以构造一个地图――它必须用五种颜色着色(四色不够)。这也就是假设去掉其中任何一个国家,数目成为N-1时,它应当可以用四种颜色着色。

现在我们用反证法证明。

假设我们能够证明:如果N-1个国家的地图能用四色着色,把去掉的一个加上去也能,那么我们就证明了不存在这样一个N,也就证明了四色定理。

根据欧拉定理,任何一个地图,必然存在一国(称之为X国),其相邻国家数目不大于5。或者说,其邻国可能是1个,2个,3个,4个,或5个。

(欧拉定理请自行百度)

这样,我们就从有个N国家的地图中拿掉X这一国家,这时它应当可以用四色着色。现在,如果我们能证明,把X国放回到着好四色的N-1国地图中,通过系统颜色变换,也能用四色着色,这样就证明了四色定理。

假如X国邻国只有1,2,3国,这是简单的,着第四种颜色就是。现在考虑四邻国和5邻国。

前人已经通过2色通道的概念,证明四邻国可以为X国着色而不增加颜色数目。参看图1(其中R,G,B,Y分别表示红,绿,蓝,黄四色)



图1四邻国问题



一个二色通道是由交替着上两种不同颜色的国家连成的。上面两个通道BY通道和RG通道总有一个是不通的。假设RG通道不通,则把和R国以及与之相连的RG通道1上的国家的颜色R和G互换,再把X国着上R就行了.

着好色的地图如图二。

图2.四邻国问题解决


剩下的硬骨头是5邻国问题。我们假设最坏的情况――X邻国已经有四种颜色。现在我们可以画图三所示四个通道。

图3五邻国问题



1)BY通道是通的,RG通道必然不通,这好解决――改变与G国相连的RG通道颜色,再把X着色成G就行。

2)BG通道是通的,RY通道必然不通,这也好解决――改变与Y国相连的RY通道颜色,再把X着色成Y就行。

3)BY通道和BG通道都不通,则RG通道和RY通道必然是通的。即如果下面两个通道不通,则上面两个通道必然是通的。这时,我们把和左B相连的BY通道(a)颜色对调,和右B相连的BG通道(b)颜色对调,然后把X着成B就是。参看图4。


图4五邻国问题解决


到此5邻国问题圆满解决,四色定理证明大功告成。


这是我20年前的证明。当时我没看到Kempe的具体证明,也不知道别人提出的反例究竟如何。我把它投寄给一位再报上介绍四色定理的数学学者,他也没发现漏洞。后来倒是我自己发现了漏洞――图3中如果上面两条通道交叉,证明就会失败。参看图5。

图5上两个通道交叉导致证明失败的反例


具体图例:

图6反例


我把这个看似简洁正确方法公布出来,或许可以让后来者少走弯路。

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