Как за два взвешивания найти тяжелую монету

Время на прочтение
3 мин

Количество просмотров 204K

Сегодня я снова хочу вернуться к теме о задаче нахождении фальшивой монеты методом взвешивания на весах без циферблата.

Наиболее распространенные из таких задач — определение количества взвешиваний для выявления фальшивой монеты, если:

1) неизвестно какая она по весу;
2) известно, что она легче/тяжелее остальных.

Или обратная задача: можно ли за определенное количество взвешиваний выявить фальшивую из заданного количества монет.

1. Давайте сначала разберемся с 2 вариантом, который является частным случаем варианта 1.

Некоторое время назад, я на Хабре уже описывал решение такой задачи, но в одном из комментариев было замечание о немного странном первом разделении монет, по-этому предлагаю другой алгоритм решения. Хотя результат будет тот же и формула решения задачи остается та же:

N >= log₃A,

где N — максимально необходимое количество взвешиваний, натуральное число, округленное в большую сторону;
A — количество монет.
Которая выведена на основании опытов (за 1 взвешивание можно найти одну фальшивую из 3-х монет, за 2 — из 9, за 3 — из 27 и т.д.)

Сам алгоритм решения простой, и я покажу его на примерах

1) Пусть у нас есть 26 монет. Нужно найти одну, которая легче/тяжелее

Первым действием буде разделение монет на три группы, в двух из которых число монет будет одинаковым, важно только что бы в третьей группе — остатке — было меньше монет, чем в каждой из двух других групп. То есть частое округляется к большему натуральному числу. То есть

A = 2 * B + C,

где A — количество монет;
B — частное от деления количества монет на 3, натуральное число, округленное в большую сторону;
C — остаток.

По условию задачи

26/3 = 8.666(6),

26 = 2 * 9 + 8,

При первом взвешивании будут сравниваться две группы: правая (ПГ) — 9 монет и левая (ЛГ) — 9 монет.

Далее у нас возможны два варианта:

1) фальшивая монета в левой/правой группе (9 монет)
2) фальшивая монета в остатке (8 монет)

для 1 варианта следующее деление на группы будет — 9 = 2 * 3 + 3;
для 2 варианта — 8 = 2 * 3 + 2

Ну и за одно взвешивание можно определить какая из 2 или 3 монет легче/тяжелее

Этот же результат я приведу в таблице

по формуле — log₃26 =2.9656 — соответственно количество взвешиваний — 3.

еще пример:
число монет- 71. По формуле log₃71 =3.8800 — количество взвешиваний — 4. Проверяем

Ну с алгоритм решения этих задач, я думаю, понятен.

2. Теперь перейдем к задачам, в которых не известно легче монета или тяжелее.

В данном случае я предлагаю такое первое действие: разделить монеты на четыре группы, три — с максимально одинаковым количеством монет, а в четвертой группе — остаток. Причем в остатке должны быть 1 или 2 монеты. То есть при делении на 3 частное округляется до меньшего натурального числа.

A = 3 * B + C,

где A — количество монет;
B — частное от деления количества монет на 3, натуральное число, округленное в меньшую сторону;
C — остаток.

Например, для 58-ми монет — это будет 58 = 3 * 19 + 1, для 23 = 3 * 7 + 2, для 15 = 3 * 5 + 0 и т. д.

Далее выполняем два взвешивания:
1) первая и вторая группы;
2) первая и третья группы;
и анализируем результат.
Здесь возможны четыре варианта:1, 2, 3 — это первая, вторая или третья группа отличаются по весу от двух остальных, или они равны, тогда нам повезло, так как фальшивая — в остатке. Так же два взвешивания помогают определить определить тяжелее фальшивая монета или легче. Кстати, если в остатке две монеты, то нужно выполнить еще 2 взвешивания для определения фальшивой монеты.

Теперь у нас есть задача: определить одну фальшивую монету из группы, которая легче/тяжелее.
Что касается формулы, то она примет следующий вид

N >= log₃B + 2,

где N — максимально необходимое количество взвешиваний, натуральное число;
B — количество монет в группе после второго взвешивания.
А если учесть, что B = A/3, где A — количество всех монет, тогда получим:

log3B = log₃A — 1,

N >= log₃A + 1

Итог:

1) если известно, что фальшивая монета легче/тяжелее, тогда максимальное число взвешиваний определяется по формуле:

N >= log₃A

2) если не известно, какая фальшивая, тогда максимальное число взвешиваний определяется по формуле:

N >= log₃A + 1

где N — максимально необходимое количество взвешиваний, натуральное число, округленное в большую сторону;
А — количество монет.

Давайте идти самым простым путём.

Взвесить монеты по две. Те что тяжелее в правую кучку,а те.что легче в левую. Таких взвешиваний 34. А монет в каждой куче тоже по 34.

Теперь в куче тяжёлых монет взвешиваем монеты по две.Те монеты,что тяжелей оставляем,а те,что легче откидываем в сторону-ведь самой тяжёлой среди них быть не может. На это ушло 17 взвешиваний,а монет осталось 17. Тоже самое делаем с кучей лёгких монет.

От оставшихся 17 тяжёлых отделяем одну любую и взвешиваем 16 оставшихся монет по тому же алгоритму.То есть взвешиваем за 8 взвешиваний затем за 4,затем за 2,затем с учётом откинутой семнадцатой опять за два. При этом всё время откидываем более лёгкие монеты. Находим самую тяжёлую,и ушло на это 16 взвешиваний.

По тому же пути из кучки лёгких монет находим самую лёгкую,только при этом откидываем более тяжёлые монеты.На это уходит 16 взвешиваний.

Теперь проверим общее количество взвешиваний: 34+17+17+16+16=100

Ответы