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约瑟夫问题

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约瑟夫问题

在古代的趣味数学问题中,最著名的莫过于约瑟夫问题了。该问题说的是:把若干人排成一圈,从某个位置数起,每数到第m个就杀掉,最后剩下的是事先指定的几个人。这个问题很可能起源于古罗马中对士兵“逢十取一”的惩罚制度。在公元4世纪的一部著作里,一位以Hegesippus为笔名的作者告诉我们,约瑟夫(Josephus)就是利用这种方式挽救自己性命的:当罗马人Vespasian攻陷Jotapat之后,约瑟夫和另外四十个犹太人躲到一个山洞里避难。让约瑟夫讨厌的是,除了他自己和一名特殊的朋友外,其余39人都决心自杀以便不落入罗马人之手。尽管约瑟夫不愿意这样做,但他不敢公然提出反对;口头上只好同意。但是,他提出了自杀行动必须按顺序进行,并建议:所有人排成一圈,随意从某一位置开始数,每数到三的人拉出圈子杀掉,最后剩下的一位自杀。他把自己和朋友分别安排在第16和31个位置,成功地避开了死神。

在分别写于10世纪初、11世纪和12世纪的三部手稿里,我们也发现了这个问题。文艺复兴时期,卡丹、拉姆斯(Ramus)在其数学著作中的介绍则使这个问题得以迅速流传开来。后来,它被改编成新的版本:一艘船载有15位土耳其人和15位徒。途中遇到风暴,波涛汹涌、孤舟无援、将要沉没。为了挽救船只,保全船员,必须将一半乘客扔到海里。于是,乘客排成一圈,从某一位置开始点数,每点到九,就把这个位置上的人扔到海里。问如何排列方能使所有徒幸免于难?正确排列见下图:

后人通过下列诗句中的元音字母在英文字母表的序号(a—1;e—2;i—3;o—4;u—5)来记忆上图中的排列:From numbers’aid and art,never will fame depart。

后来的欧拉、舒贝尔(Schubert)和泰特(P.G.Tait)都解决过更一般的约瑟夫问题。英国著名制谜大师杜德内(H.E.Dudeney,1847~1930)的“猫捉老鼠”问题亦约瑟夫问题的另一形式,以下是陈怀书先生的译文:

“十三鼠为猫所捕,欲逃而不能。乃互私议,得一法。谓猫曰:今日汝欲杀余等,余等无力以抗,只得俯首待斃。但余等有一特别游戏,愿与君共行之,则余等虽死,无撼矣。

即君之食余等也,亦愈觉更有味矣!不知君以为然否?猫曰:善!请道其详。鼠曰:余等排列为一圈,任君从何处为起点,绕圈而走,至第十三个则取而食之。然后再从被食者之次数起,数至第十三个,再取而食之。如是至最后,则余等皆为君食尽。但余辈中有一白色者,其肉嫩而肥,可供君作最后之佳肴。君须稍加思索:若从何处数起,则白者可留至最后食。猫曰:稍待,余缓思之。不意猫思索良久,觉困倦异常,遂酣然入黑甜乡矣。群鼠见猫熟睡,知已中计,一哄而散,安然各入洞中矣。”

古代日本早在14世纪中叶鎌仓时代晚期、室町时代初期就有文献记载类似于西方约瑟夫问题的“继子立”问题。和算最早的专著——吉田光由(1598~1672)的《尘劫记》对该问题有详细介绍:从前,有位农夫,生了30个孩子,其中15个为前妻所生,15个为第二个妻子所生。三十个孩子都认为父亲的财产不够平分,于是第二任妻子欲为自己生的长子谋取财产继承人资格。一天,他对丈夫说:“亲爱的丈夫,你老了。该立一个继承人了。让我们把30个孩子排成一圈,从其中某一个开始点数,每点到第10,第10个人就推出圈子,被淘汰掉。最后剩下的一个就是你的继承人。”丈夫觉得妻子的这个建议很合理,于是同意按这个方法选继承人。但狡猾的妻子却暗藏机关,她让30个孩子按照她预定的位置站成一圈,如下图。其中穿白衣的是前妻的孩子,穿黑衣的是后妻的孩子。从图中东北角举旗的黑衣者开始,按顺时针方向轮番循环点数,结果前面被淘汰掉的全是白衣人。眼看着最后一个白衣孩子马上要被淘汰出局,可怜的老头才明白其中有诈。于是,他马上建议接下来按逆时针方向点数(仍为逢10淘汰,且从仅余的白衣孩子开始)。妻子没有时间算计,仗着自己的孩子以15:1的明显优势,她答应按反方向点数。结果,前妻的孩子以1:15的劣势险胜,获得继承权。

继子立问题

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