快速排序里的学问:再看看称球问题
前 面 用 猜 数 字 游 戏 说 明 了 二 分 的 思 想 , 这 里 再 看 一 个 常 见 的 思 维 题 :
12 个 小 球 , 其 中 有 一 个 是 坏 球 。 有 一 架 天 平 。 需 要 你 用 最 少 的 称 次 数 来 确 定 哪 个 小 球
是 坏 的 并 且 它 到 底 是 轻 还 是 重 。
这 个 问 题 是 一 道 流 传 已 久 的 智 力 题 。 网 络 上 也 有 很 多 讲 解 , 还 有 泛 化 到 N 个 球 的 情 况
下 的 严 格 证 明 。 也 有 零 星 的 一 些 地 方 提 到 从 信 息 论 的 角 度 来 看 待 最 优 解 法 。 本 来 我 一 直 认
为 这 道 题 目 除 了 试 错 之 外 没 有 其 它 高 妙 的 思 路 了 , 只 能 一 个 个 方 法 试 , 并 尽 量 从 结 果 中 寻
找 信 息 , 然 后 看 看 哪 种 方 案 最 少 。
然 而 , 实 际 上 它 的 确 有 其 它 的 思 路 , 一 个 更 本 质 的 思 路 , 而 且 根 本 用 不 着 信 息 论 这 么
拗 口 的 知 识 。
我 们 先 回 顾 一 下 猜 数 字 游 戏 。 为 了 保 证 任 何 情 况 下 以 最 少 次 数 猜 中 , 我 们 的 策 略 是 每
次 都 排 除 恰 好 一 半 的 可 能 性 。 类 比 到 称 球 问 题 上 :
� 坏 球 可 能 是 12 个 球 中 的 任 意 一 个 , 这 就 是 12 种 可 能 性 。
� 而 其 中 每 种 可 能 性 下 坏 球 可 能 轻 也 可 能 重 。 于 是 “坏 球 是 哪 个 球 , 是 轻 是 重 ”这 个 问
题 的 答 案 就 有 12×2=24 种 可 能 性 。
现 在 我 们 用 天 平 来 称 球 ,就 等 同 于 对 这 24 种 可 能 性 发 问 ,由 于 天 平 的 输 出 结 果 有 三 种
“平 衡 、左 倾 、右 倾 ”,这 就 相 当 于 我 们 的 问 题 有 三 个 答 案 ,即 可 以 将 所 有 的 可 能 性 切 成 三 份 ,
根 据 猜 数 字 游 戏 的 启 发 , 我 们 应 当 尽 量 让 这 三 个 分 支 概 率 均 等 , 即 平 均 切 分 所 有 的 可 能 性
为 三 等 份 。如 此 一 来 的 话 一 次 称 量 就 可 以 将 答 案 的 可 能 性 缩 减 为 原 来 的 1/3,三 次 就 能 缩 减
为 1/27。 而 总 共 才 有 24 种 可 能 性 , 所 以 理 论 上 是 完 全 可 以 3 次 称 出 来 的 。
如 何 称 的 指 导 原 则 有 了 , 构 造 一 个 称 的 策 略 就 不 是 什 么 太 困 难 的 事 情 了 。
首 先 不 妨 解 释 一 下 为 什 么 最 直 观 的 称 法 不 是 最 优 的 — —6、 6 称:在 6、 6 称 的 时 候 , 天
平 平 衡 的 可 能 性 是 0。刚 才 说 了 ,最 优 策 略 应 该 使 得 天 平 三 种 状 态 的 概 率 均 等 ,这 样 才 能 三
等 分 答 案 的 所 有 可 能 性 。
为 了 更 清 楚 的 看 待 这 个 问 题 , 我 们 不 妨 假 设 有 6 个 球 , 来 考 虑 一 下 3、 3 称 和 2、 2 称
的 区 别 :
在 未 称 之 前 , 一 共 有 12 种 可 能 性 : 1 轻 、 1 重 、 2 轻 、 2 重 、 …、 6 轻 、 6 重 。
3、 3 称 : 现 在 将 1、 2、 3 号 放 在 左 边 , 4、 5、 6 放 在 右 边 3、 3 称 了 之 后 , 不 失 一 般
性 假 设 天 平 左 倾 ,那 么 小 球 的 可 能 性 就 变 成 了 原 来 的 一 半( 6 种 ):1 重 、2 重 、3 重 、4 轻 、
5 轻 、 6 轻 。 即 这 种 称 法 能 排 除 一 半 可 能 性 。
2、 2 称 : 现 在 再 来 看 2 、 2 称 法 , 即 1、 2 放 左 边 , 3 、 4 放 右 边 , 剩 下 的 5 、 6 不 称 ,
放 一 边 。 假 设 结 果 是 天 平 平 衡 , 那 么 可 能 性 剩 下 — —4 种 : 5 重 、 5 轻 、 6 重 、 6 轻 。 假 设 天
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