那些年,面试中常见的数据结构基础和算法题(下) (15)

解1: 流行的解法是,如果 N!= K10M,且K不能被10整除,则 N!末尾有 M 个0。考虑 N!可以进行质因数分解,N!= (2X) * (3Y) * (5Z)..., 则由于10 = 25,所以0的个数只与 X 和 Z 相关,每一对2和5相乘得到一个 10,所以 0 的个数 M = min(X, Z),显然 2 出现的数目比 5 要多,所以 0 的个数就是 5 出现的个数。由此可以写出如下代码:

/** * N!末尾0的个数 */ int numOfZero(int n) { int cnt = 0, i, j; for (i = 1; i <= n; i++) { j = i; while (j % 5 == 0) { cnt++; j /= 5; } } return cnt; } 复制代码

解2: 继续分析可以改进上面的代码,为求出1到N的因式分解中有多少个5,令 Z=N/5 + N/(52) + N/(53)+... 即 N/5 表示 1 到 N 的数中 5 的倍数贡献一个 5,N/(52) 表示 52 的倍数再贡献一个 5...。举个简单的例子,比如求1到100的数因式分解中有多少个5,可以知道5的倍数有20个,25的倍数有4个,所以一共有24个5。代码如下:

/** * N!末尾0的个数-优化版 */ int numOfZero2(int n) { int cnt = 0; while (n) { cnt += n/5; n /= 5; } return cnt; } 复制代码

总结: 上面的分析乏善可陈,不过需要提到的一点就是其中涉及到的一条算术基本定理,也就是 任意大于1的自然数都可以分解为质数的乘积,而且该分解方式是唯一的。 定理证明分为两个部分,存在性和唯一性。证明如下:

存在性证明

使用反证法来证明,假设存在大于1的自然数不能写成质数的乘积,把最小的那个称为n。自然数可以根据其可除性(是否能表示成两个不是自身的自然数的乘积)分成3类:质数、合数和1。

首先,按照定义,n大于1。

其次,n 不是质数,因为质数p可以写成质数乘积:p=p,这与假设不相符合。因此n只能是合数,但每个合数都可以分解成两个严格小于自身而大于1的自然数的积。设 n = a*b,a 和 b都是大于1小于n的数,由假设可知,a和b都可以分解为质数的乘积,因此n也可以分解为质数的乘积,所以这与假设矛盾。由此证明所有大于1的自然数都能分解为质数的乘积。

唯一性证明

当n=1的时候,确实只有一种分解。

假设对于自然数 n>1,存在两种因式分解: n=p1...pm = q1...qk,p1<=...<=pm, q1<=...<=qk,其中 p 和 q 都是质数,我们要证明 p1=q1,p2=q2...如果不相等,我们可以设 p1 < q1,从而 p1 小于所有的 q。由于 p1 和 q1 是质数,所以它们的最大公约数为1,由欧几里德算法可知存在整数 a 和 b 使得 a * p1 + b * q1 = 1。因此 a * p1 * q2...qk + b * q1 * q2...qk = q2...qk (等式1)。由于 q1...qk = n,因此等式1左边是 p1 的整数倍,从而等式1右边的 q2...qk 也必须是 p1 的整数倍,因此必然有 p1 = qi,i > 1。而这与前面 p1 小于所有的 q 矛盾,因此,由对称性,对 p1 > q1 这种情况可以得到类似结论,故可以证明 p1 = q1,同理可得 p2 = q2...pm=qk,由此完成唯一性的证明。

3.1-N正整数中1的数目

题: 给定一个十进制正整数N,求出从 1 到 N 的所有整数中包含 1 的个数。比如给定 N=23,则包含1的个数为13。其中个位出现1的数字有 1,11,21,共3个,十位出现1的数字有 10,11...19 共10个,所以总共包含 1 的个数为 3 + 10 = 13 个。

分析: 最自然的想法莫过于直接遍历1到N,求出每个数中包含的1的个数,然后将这些个数相加就是总的 1 的个数。需要遍历 N 个数,每次计算 1 的个数需要 O(log10N),该算法复杂度为 O(Nlog10N)。当数字N很大的时候,该算法会耗费很长的时间,应该还有更好的方法。

解: 我们可以从1位数开始分析,慢慢找寻规律。

当 N 为 1 位数时,对于 N>=1,1 的个数 f(N) 为1。

当 N 为 2 位数时,则个位上1的个数不仅与个位数有关,还和十位数字有关。

当 N=23 时,个位上 1 的个数有 1、11、21 共3个,十位上1的个数为 10,11...19 共10个,所以 1 的个数 f(N) = 3+10 = 13。如果 N 的个位数 >=1,则个位出现1的次数为十位数的数字加1;如果 N 的个位数为0,则个位出现 1 的次数等于十位数的数字。

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