经典算法之不定方程问题

   所谓不定方程,是指未知数个数多于方程个数,且对解都有一定的限制。

   首先,来看一道经典的数学问题“百钱买鸡”问题。

   中国古代数学家张丘建在他的《算经》中提出了著名的“百钱买鸡”问题:鸡翁一,值钱五,鸡母一,值钱三,鸡雏三,值钱一,百钱买鸡,问翁、母、雏各几何?

   意思是:公鸡5文钱1只,母鸡3文钱1只,小鸡3只1文钱,要求100文钱买100只鸡,求公鸡、母鸡和小鸡应该各买多少只?

   其实这是一道不定方程问题,有两个条件:一是用的钱数正好是100文;二是买鸡的数量正好是100只。设买公鸡、母鸡和小鸡分别为x、y、z只,则可列出一下方程:

   x+y+z = 100

   5x+3y+z/3 = 100

   根据这两个公式,通过计算机的穷举算法即可求得结果。

代码一:

void BuyChicken()
{
	int x,y,z;
	for(x = 0; x <= 20; x++)
	{
		for(y = 0; y <= 33; y++)
		{
			z = 100 - x - y;
			if(z % 3 == 0 && x*5 + y*3 + z/3 == 100)
			{
				printf("公鸡:%d,母鸡:%d,小鸡:%d
",x,y,z);
			}
		}
	}
}

   以上的算法并不是最佳的,深入分析,4只公鸡值20文钱,3只小鸡值1文钱,合起来鸡数是7,钱数是21;而7只母鸡的钱数也正好是21.如果少买7只鸡,就可以用这笔钱多买4值公鸡和3只小鸡。这样,百钱还是百钱,百鸡还是百鸡。所以,只要求出一个答案,根据这个规则,马上就可以求出其他的答案出来。

   设一个参数看,则有:

   x = 4k;

   y = 25 - 7k;

   z = 75 + 3k;

   因为鸡的数量x、y、z都只能是正数,所以满足式子的k值只能是0、1、2、3.

代码二:

void BuyChicken2()
{
	int x,y,z,k;
	for(k = 0; k <= 3; k++)
	{
		x = 4*k;
		y = 25 - 7*k;
		z = 100 - x - y;
		printf("公鸡:%d,母鸡:%d,小鸡:%d
",x,y,z);
	}
}

  其次,还有大家都非常熟悉的趣味数学题“鸡兔同笼”问题。

  问题的描述是:有若干只鸡兔同在一个笼子里,从上面数,有35个头;从下面数,有94只脚。求笼子中有多少只鸡和多少只兔?

  这个问题用穷举法可以解决,设有鸡x只,兔y只,则有方程:

  x + y = 35;

  2x + 4y = 94;

代码三:

void Chook_Rabbit()
{
	int chook,rabbit,head,foot;
	printf("请输入头数和脚数:");
	scanf("%d%d",&head,&foot);
	for(chook = 0; chook <= head; chook++)
	{
		rabbit = head -chook;
		if(chook * 2 + rabbit * 4 == foot)
		{
			printf("鸡有:%d只,兔子有:%d只。",chook,rabbit);
		}
	}
}

  仔细分析,还有更简单的方法,用奥数中的知识:

  将每个头都按2只算(则认为都是鸡),则剩下的足就是兔子的另两只,则只需要将剩下的足除以2即可得到兔子的数量。

代码四:

void Chook_Rabbit1()
{
	int chook,rabbit,head,foot;
	printf("请输入头数和脚数:");
	scanf("%d%d",&head,&foot);
	rabbit = (foot - 2*head)/2;
	chook = head - rabbit;
	printf("鸡有:%d只,兔子有:%d只。",chook,rabbit);
}

   最后再来看一道著名的“五家共井”问题。

  问题的描述:今有五家共井,甲二绠不足如乙一绠,乙三绠不足如丙一绠,丙四绠不足如丁一绠,丁五绠不足如戊一绠,戊六绠不足如甲一绠。如各得所不足一绠,皆逮。问井深、绠长几何?(题中:“绠”是汲水桶上的绳索,“逮”是到达井底水面的意思。)

  意思是:现在有5家共用一口井,甲、乙、丙、丁、戊5家各有一条绳子打水,设各家绳子的长度分别为len1,len2,len3,len4,len5,井深len,则以上条件可以表示为下面的方程:

  len1*2+len2 = len;

  len2*3+len3 = len;

  len3*4+len4 = len;

  len4*5+len5 = len;

  len5*6+len1 = len;

  求井的深度和各家打水所用绳子的长度。

  根据上面的方程可得到一下算式:

   len1*2 + len2 = len2*3+len3 = len3*4+len4 = len4*5 +len5 = len5*6+len1

  由以上算式可以推出:

   len1 = len2 + len3/2

   len2 = len3 + len4/3

   len3 = len4 + len5/4

   len4 = len5 + len1/4

   根据以上列出的这些算式,可枚举各种情况,最后得出结果。

代码五:

void Length()
{
	int len1,len2,len3,len4,len5,len,flag;
	flag = 1;
	len5 = 0;
	while(flag)
	{
		len5 += 4;  //len5为4的倍数
		len1 = 0;
		while(flag)
		{
			len1 += 5;                   //len1为5的倍数
			len4 = len5 + len1/5;        //丁家井绳长
			len3 = len4 + len5/4;        //丙家井绳长
			if(len3 % 2)                 //若不能被2整除
				continue; 
			if(len4 % 3)                 //若不能被3整除
				continue;
			len2 = len3 + len4/3;
			if(len2 + len3 / 2 < len1)   //不符合条件
				break;
			if(len2 +len3 / 2 == len1)   //符合条件
				flag = 0;
		}
	}
	len = 2*len1 + len2;
	printf("各家井绳长度分别为:
");
	printf("甲:%d
",len1);
	printf("乙:%d
",len2);
	printf("丙:%d
",len3);
	printf("丁:%d
",len4);
	printf("戊:%d
",len5);
	printf("井深:%d
",len);
}

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