重溫經典:12球問題(2)

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前文提到:解法已經有各路大神提供,我要討論的重點不是解法,而是如何想出解法,是解決問題的思考過程。

動態稱法分析過程

問題分析(問題重構):

  • 對象:

12個球(編號為1到12),天平
  • 球的屬性:

球有重量(x1,x2,...,x12),假設標準重量為W,異常和標準差值為Δ。
且有|Δ|<< W,即偏差微乎其微
  • 天平的功能:

無砝碼天平,可以測量天平兩端重量是否平衡,但是無法具體知道每個物品的重量。

利用目標-手段分析:

  • 初始狀態:

對球屬性的認知為不確定,共有24種可能:{1號球偏重,1號球偏輕,2號球偏重,2號球偏輕,...,12號球偏重,12號球偏輕}
  • 目標狀態:

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確定知道哪個球是異常的。24種可能中的一種。
  • 操作手段:

用天平稱重。

從初始狀態到目標狀態的轉移依據的是天平稱重,顯而易見有

推論1:利用天平稱重,可以獲得信息,消除不確定性。

那麼如何描述天平稱重,天平稱重可以獲得哪些信息?

天平稱重操作對象是12個球,無非是決定哪些球放在左邊,那些球放在右邊,哪些球不用。

比如:

每個球都可能是三種:左,右,不用(X);那天平稱重操作組合就太多了。

但是我們很容易發現,如果天平左右球數不等,那麼球數多的一邊肯定偏重。那麼這種稱重就毫無意義,得不到任何信息。那麼怎麼稱才有意義,那就是兩邊球數一樣多。

那麼一共有多少種:窮盡分類可以發現

左右各1球,2球,3球,4球,5球,6球。

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可以發現遍歷所有稱量情況,當兩邊各四球的時候,在最壞情況下,也可以排除16種可能。因此在最保守的情況下,效率是最高。

這就是為何我們首次要稱4球的原因!!!

第二次和第三次的分析就簡單了。

假設首次平衡,

那麼餘下的4球存在異常,問題就歸結為如何在4個球中找出那個異常。此時要注意,我們有另外8個標準球可以做輔助。

同樣,稱重操作要作用在這4個球上,有以下幾種可能:

於是就確定了第二次操作3個球,且為一邊2個,一邊1個,一個不用為最佳稱法,因為可以排除的可能性最多且使用輔助球數目最少。

第二次后,哪怕在最差情況下,只剩下三種可能性,是很容易設計出稱法的。請自行思考或參考各種搜索到的解法。

假設首次失衡,

需要考慮8個球共八種情況。其實假設為1-4可能重,5-8可能輕,可以很容易的轉化為4球找異常問題,比如把1和5,2和6,3和7,4和8配對即可。就可以參考首次平衡時的解法找出異常球了。

未完待續,下篇討論固定稱法的思考過程。

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