[程式設計之美][2.2] 不要被階乘嚇倒

菜鳥加貝的爬升發表於2013-10-07

階乘(Factorial)是個很有意思的函式,但是不少人都比較怕它,我們來看看兩個與階乘相關的問題:

1. 給定一個整數N,那麼N的階乘N!末尾有多少個0呢?例如:N=10,N!=3 628 800,N!的末尾有兩個0。

2. 求N!的二進位制表示中最低位1的位置。


分析與解法

有些人碰到這樣的題目會想:是不是要完整計算出N!的值?如果溢位怎麼辦?事實上,如果我們從"哪些數相乘能得到10"這個角度來考慮,問題就能變得簡單了。

首先考慮,如果N!= K×10^M,且K不能被10整除,那麼N!末尾有M個0。再考慮對N!進行質因數分解,N!=(2^X)×(3^Y)×(5^Z)…,由於10 = 2×5,所以M只跟X和Z相關,每一對2和5相乘可以得到一個10,於是M = min(X, Z)。不難看出X大於等於Z,因為能被2整除的數出現的頻率比能被5整除的數高得多,所以把公式簡化為M = Z。

根據上面的分析,只要計算出Z的值,就可以得到N!末尾0的個數。

【問題1的解法一】

要計算Z,最直接的方法,就是計算i(i =1, 2, …, N)的因式分解中5的指數,然後求和:

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【問題1的解法二】

公式:Z = [N/5] +[N/52] +[N/53] + …(不用擔心這會是一個無窮的運算,因為總存在一個K,使得5K > N,[N/5K]=0。)

公式中,[N/5]表示不大於N的數中5的倍數貢獻一個5,[N/52]表示不大於N的數中52的倍數再貢獻一個5,……程式碼如下:

image

問題2要求的是N!的二進位制表示中最低位1的位置。給定一個整數N,求N!二進位制表示的最低位1在第幾位?例如:給定N = 3,N!= 6,那麼N!的二進位制表示(1 010)的最低位1在第二位。

為了得到更好的解法,首先要對題目進行一下轉化。

首先來看一下一個二進位制數除以2的計算過程和結果是怎樣的。

把一個二進位制數除以2,實際過程如下:

判斷最後一個二進位制位是否為0,若為0,則將此二進位制數右移一位,即為商值(為什麼);反之,若為1,則說明這個二進位制數是奇數,無法被2整除(這又是為什麼)。

所以,這個問題實際上等同於求N!含有質因數2的個數。即答案等於N!含有質因數2的個數加1。

【問題2的解法一】

由於N! 中含有質因數2的個數,等於 N/2 + N/4 + N/8 + N/16 + … ,

根據上述分析,得到具體演算法,如下所示:

image


【問題2的解法二】

N!含有質因數2的個數,還等於N減去N的二進位制表示中1的數目。我們還可以通過這個規律來求解。

下面對這個規律進行舉例說明,假設 N = 11011,那麼N!中含有質因數2的個數為 N/2 + N/4 + N/8 + N/16 + …

即: 1101 + 110 + 11 + 1
=(1000 + 100 + 1)
+(100 + 10)
+(10 + 1)
+ 1
=(1000 + 100+ 10 + 1)+(100 + 10 + 1)+ 1
= 1111 + 111 + 1
=(10000 -1)+(1000 - 1)+(10-1)+(1-1)
= 11011-N二進位制表示中1的個數

小結

任意一個長度為m的二進位制數N可以表示為N = b[1] + b[2] * 2 + b[3] * 22 + … + b[m] * 2(m-1),其中b [ i ]表示此二進位制數第i位上的數字(1或0)。所以,若最低位b[1]為1,則說明N為奇數;反之為偶數,將其除以2,即等於將整個二進位制數向低位移一位。

相關題目

給定整數n,判斷它是否為2的方冪(解答提示:n>0&&((n&(n-1))==0))。

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