Программирование игр и головоломок - [64]

2. Игры с числами

Головоломка 3.

Остановитесь, когда вы получите 5 в качестве цифры единиц с нулем «в уме».

Головоломка 4.

Представленный здесь алгоритм эквивалентен алгоритму, который можно найти в старых книгах по арифметике, и который действует на целые числа, разбитые на куски но 2 цифры в каждом куске. Вы можете либо разыскать доказательство в этих книгах, либо посмотреть в моей книге «Основы программирования», как можно доказать, что программа, реализующая этот алгоритм, действительно вычисляет квадратный корень. Но это рассуждение слишком сложно, чтобы воспроизводить его здесь.

Лично я работаю по основанию 10. Я представляю числа цепочками цифр. Присоединить 1 справа легко: это просто конкатенация. Сдвинуть вправо легко: используется индекс, сообщающий, начиная с какой позиции нужно урезать. Именно этот индекс и изменяется. Складывать с 2 легко, так как может быть не более одного переноса. Единственная тонкая операция — вычитание, Не проводите сравнения перед вычитанием: оно стоит так же дорого, как и само вычитание. Сделайте копию той части, которая должна была бы быть изменена при вычитании, и если вы обнаружите, что вы не можете осуществить вычитание, — возьмите сохраненное значение.

Головоломка 5.

Задайте три индекса и три значения: i₂, i₃, i₅, x₂, x₃, x₅. Число i₂ есть индекс элемента последовательности, который, будучи умноженным на 2, дает подходящего кандидата на роль ближайшего значения (иначе говоря, удвоение числа с индексом i₂ − 1 дает число, которое содержится в уже сформированной части последовательности, но удвоение числа с индексом i₂ дает число, которое в сформированной части не содержится). Число x₂ получается удвоением числа с индексом i₂. Вы определяете аналогично i₃ и x₃ заменяя «удвоение» на «утроение» (произведение на 3 числа с индексом i₃ − 1 содержатся в построенной части последовательности, а число x₃ — утроенное число с индексом i₃ — в ней не содержится). Наконец, вы делаете то же самое для i₅ и x₅. Ближайшее число в последовательности есть наименьшее из чисел x₂, x₃, x₅. Назовем его х. Если x = x₂, то i₂ увеличивается на 1 и x₂ пересчитывается. То же самое для i₃ и i₅.

Головоломка 7.

Возьмем n = 3n' + 2. Тогда (2n − 1)/3 = 2n' + 1.

По общему правилу, непосредственно следующий за нечетным числом 2n' + 1 элемент равен (3(2n' + 1) + 1)/2 = 3n' + 2.

Если n дает n' при переходе (p, q), q > 1, т. е. если n имеет вид n = (2^p(2^qn' + 1)/3^p) − 1, то

n'' = (n − 1)/2 = (2^p−1(2^qn' + 1)/З^p) − 1.

Как и следовало ожидать, это имеет в точности тот смысл, что если деление на З^p можно выполнить нацело, то в связи с этим возникает соотношение между (p, q) и n'.

Если n" увеличить на 1, а затем умножить на 3^p−1/2^p−1, то получится (2^qn' + 1)/3.

Тогда нужно уменьшить результат на 1: получим (2^qn' − 2)/3. Но это число делится на 2, так что с помощью перехода (p − 1, 1) число n" дает

(2^q−1n' − 1)/3.

По общим правилам получаем

3 ((2^q−1n' − 1)/3) + 1 = 2^q−1n',

а затем n', что и доказывает наше утверждение.

Если вы примените это правило перехода к 4k + 1, то нужно добавить 1, что дает 4k + 2, делящееся на 2, но не на 4. Делим на 2 и умножаем на 3, что дает 6k + 3. Уменьшаем на 1 и затем делим на 2, и получается Зk + 1.

Если k нечетно, то это — элемент, следующий за k; так что за числом вида 4k + 1 с k нечетным следуют те же величины, что и за k.

Если k четно, то 4k + 1 дает 3k + 1.

Если существует цикл с единственным переходом p, q, т. е.

n = (2^p(2^qn + 1)/3^p) − 1,

то это возможно только в случае, когда существует такая пара p, q, что число

(З^p − 2^p)/(2^p+q − З^p)

— целое. Мы показали, что такой пары (p, q) нет.

Головоломка 10.

9*АВСДЕ + АВСДЕ = 10*АВСДЕ, что можно записать как АВСДЕ0. Отсюда получаем зашифрованное сложение:

FGHIJ + ABCDE = ABCDE0

Это показывает, что A = 1. Далее, J + E не может быть нулем, следовательно, J + Е = 10 и для I есть кое-что «в уме». Сумма F + A дает AB с A = 1, так что сумма F + 1, к которой, может быть, добавлено что-то «в уме», должна дать число, большее 9. Это может быть только в случаях 1 + 8 + 1 = 10, 9 + 1=10 или 1 + 9 + 1 = 11. Но, так как B ≠ A, то B = 0.

Тогда в сумме G + B рассмотрим цифру C как цифру единиц. Так как В = 0, то это означает, что для G «в уме» кое-что есть (потому что G ≠ С).

Отсюда получаем схему операции сложения:

Запишем, что A + B + C + D + E + F + G + H + I + J = 45,

А = 1, B = 0.

Запишем пять операций сложения с учетом переносов в старший разряд:

J + E = 10,

1 + I + D = 10k + E,

k + H + C = 10 + D,

1 + G + В = 10k' + С,

k' + F + A = 10.

Сложим их все. Вам остается

C + D + E = 17 − 9(k + k').

Но С + D + E не может быть меньше, чем 2 + 3 + 4 = 9, и не может быть больше, чем 6 + 7 + 9 (если F = 8 и k' = 1). Не может быть, чтобы у вас одновременно выполнялись соотношения k = k' = 1 (что давало бы отрицательную сумму С + D + E). Но не может быть и равенства k + k' = 1, так как тогда было бы С + D + E = 17 − 9 = 8, что слишком мало. Следовательно, k = k' = 0. Составим окончательную систему

J + E = 10,

I + D + 1 = E,

H + C = 10 + D,

G + 1 = С,

F = 9.

Закончите вы с помощью программы.

Головоломка 11.

Обозначим через