鸡蛋掉落问题(两枚鸡蛋,特定楼层版本)
字数 1070 2025-11-19 16:27:28
鸡蛋掉落问题(两枚鸡蛋,特定楼层版本)
问题描述:
你手上有两枚完全相同的鸡蛋,需要确定从一栋n层楼的建筑中,鸡蛋恰好不会摔碎的最高楼层f(0 ≤ f ≤ n)。如果鸡蛋从第f层或更低楼层扔下不会碎,但从第f+1层或更高楼层扔下会碎。你只有两枚鸡蛋,如果鸡蛋摔碎了就不能再用,如果没摔碎可以继续使用。请设计一个策略,使得在最坏情况下需要的测试次数最少,并求出这个最坏情况下的最小测试次数。
解题过程:
- 问题分析:
- 这是一个经典的动态规划问题,需要找到最优的测试策略
- 关键约束:只有两枚鸡蛋,一旦鸡蛋碎了就不能再用
- 目标:最小化最坏情况下的测试次数
-
状态定义:
设dp[i][j]表示有i枚鸡蛋,需要测试j层楼时的最小最坏情况测试次数。 -
基础情况:
- 当楼层数为0时,不需要测试,dp[i][0] = 0
- 当鸡蛋数为1时,只能从低到高逐层测试,dp[1][j] = j
- 当鸡蛋数为0时,无法测试,dp[0][j] = ∞
- 状态转移方程:
对于两枚鸡蛋的情况,当我们从第k层(1 ≤ k ≤ j)扔鸡蛋时:
- 如果鸡蛋碎了:我们还有1枚鸡蛋,需要测试下面的k-1层楼,次数 = 1 + dp[1][k-1]
- 如果鸡蛋没碎:我们还有2枚鸡蛋,需要测试上面的j-k层楼,次数 = 1 + dp[2][j-k]
最坏情况下,我们取两者中的较大值,然后选择k使得这个最坏情况最小:
dp[2][j] = min{max(dp[1][k-1], dp[2][j-k]) + 1},其中1 ≤ k ≤ j
- 算法实现:
我们可以用动态规划自底向上计算:
def eggDrop(n):
# dp[i]表示有2枚鸡蛋时测试i层楼的最小最坏情况次数
dp = [0] * (n + 1)
# 基础情况
for i in range(1, n + 1):
dp[i] = i # 只有1枚鸡蛋时的最坏情况
# 计算两枚鸡蛋的情况
for j in range(1, n + 1):
dp[j] = float('inf')
for k in range(1, j + 1):
# 从第k层扔鸡蛋
worst_case = 1 + max(k - 1, dp[j - k])
dp[j] = min(dp[j], worst_case)
return dp[n]
- 优化思路:
实际上,对于两枚鸡蛋的特殊情况,我们可以用数学方法直接求解。设最坏情况下需要测试x次,那么:
第一次测试应该在x层,如果碎了,用第二枚鸡蛋从1到x-1逐层测试,总共x次;
如果没碎,第二次在x+(x-1)层测试,依此类推。
因此,x + (x-1) + (x-2) + ... + 1 ≥ n
即 x(x+1)/2 ≥ n
- 最优解:
直接解不等式 x(x+1)/2 ≥ n,得到:
x = ceil( (-1 + sqrt(1 + 8n)) / 2 )
例如,对于100层楼:
x = ceil( (-1 + sqrt(1 + 800)) / 2 ) = ceil( (-1 + sqrt(801)) / 2 ) = ceil( (-1 + 28.3) / 2 ) = 14
所以对于100层楼,两枚鸡蛋的最优策略在最坏情况下只需要14次测试。