跳轉至

15.4   最大切分乘積問題

Question

給定一個正整數 \(n\) ，將其切分為至少兩個正整數的和，求切分後所有整數的乘積最大是多少，如圖 15-13 所示。

最大切分乘積的問題定義

圖 15-13   最大切分乘積的問題定義

假設我們將 \(n\) 切分為 \(m\) 個整數因子，其中第 \(i\) 個因子記為 \(n_i\) ，即

\[ n = \sum_{i=1}^{m}n_i \]

本題的目標是求得所有整數因子的最大乘積，即

\[ \max(\prod_{i=1}^{m}n_i) \]

我們需要思考的是：切分數量 \(m\) 應該多大，每個 \(n_i\) 應該是多少？

1.   貪婪策略確定

根據經驗，兩個整數的乘積往往比它們的加和更大。假設從 \(n\) 中分出一個因子 \(2\) ，則它們的乘積為 \(2(n-2)\) 。我們將該乘積與 \(n\) 作比較：

\[ \begin{aligned} 2(n-2) & \geq n \newline 2n - n - 4 & \geq 0 \newline n & \geq 4 \end{aligned} \]

如圖 15-14 所示，當 \(n \geq 4\) 時，切分出一個 \(2\) 後乘積會變大，這說明大於等於 \(4\) 的整數都應該被切分。

貪婪策略一：如果切分方案中包含 \(\geq 4\) 的因子，那麼它就應該被繼續切分。最終的切分方案只應出現 \(1\)、\(2\)、\(3\) 這三種因子。

切分導致乘積變大

圖 15-14   切分導致乘積變大

接下來思考哪個因子是最優的。在 \(1\)、\(2\)、\(3\) 這三個因子中，顯然 \(1\) 是最差的，因為 \(1 \times (n-1) < n\) 恆成立，即切分出 \(1\) 反而會導致乘積減小。

如圖 15-15 所示，當 \(n = 6\) 時，有 \(3 \times 3 > 2 \times 2 \times 2\) 。這意味著切分出 \(3\) 比切分出 \(2\) 更優。

貪婪策略二：在切分方案中，最多隻應存在兩個 \(2\) 。因為三個 \(2\) 總是可以替換為兩個 \(3\) ，從而獲得更大的乘積。

最優切分因子

圖 15-15   最優切分因子

綜上所述，可推理出以下貪婪策略。

  1. 輸入整數 \(n\) ，從其不斷地切分出因子 \(3\) ，直至餘數為 \(0\)、\(1\)、\(2\) 。
  2. 當餘數為 \(0\) 時，代表 \(n\) 是 \(3\) 的倍數，因此不做任何處理。
  3. 當餘數為 \(2\) 時，不繼續劃分，保留。
  4. 當餘數為 \(1\) 時，由於 \(2 \times 2 > 1 \times 3\) ，因此應將最後一個 \(3\) 替換為 \(2\) 。

2.   程式碼實現

如圖 15-16 所示，我們無須透過迴圈來切分整數，而可以利用向下整除運算得到 \(3\) 的個數 \(a\) ，用取模運算得到餘數 \(b\) ，此時有：

\[ n = 3 a + b \]

請注意，對於 \(n \leq 3\) 的邊界情況，必須拆分出一個 \(1\) ，乘積為 \(1 \times (n - 1)\) 。

max_product_cutting.py
def max_product_cutting(n: int) -> int:
    """最大切分乘積：貪婪"""
    # 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if n <= 3:
        return 1 * (n - 1)
    # 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    a, b = n // 3, n % 3
    if b == 1:
        # 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return int(math.pow(3, a - 1)) * 2 * 2
    if b == 2:
        # 當餘數為 2 時，不做處理
        return int(math.pow(3, a)) * 2
    # 當餘數為 0 時，不做處理
    return int(math.pow(3, a))
max_product_cutting.cpp
/* 最大切分乘積：貪婪 */
int maxProductCutting(int n) {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if (n <= 3) {
        return 1 * (n - 1);
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    int a = n / 3;
    int b = n % 3;
    if (b == 1) {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return (int)pow(3, a - 1) * 2 * 2;
    }
    if (b == 2) {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return (int)pow(3, a) * 2;
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return (int)pow(3, a);
}
max_product_cutting.java
/* 最大切分乘積：貪婪 */
int maxProductCutting(int n) {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if (n <= 3) {
        return 1 * (n - 1);
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    int a = n / 3;
    int b = n % 3;
    if (b == 1) {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return (int) Math.pow(3, a - 1) * 2 * 2;
    }
    if (b == 2) {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return (int) Math.pow(3, a) * 2;
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return (int) Math.pow(3, a);
}
max_product_cutting.cs
/* 最大切分乘積：貪婪 */
int MaxProductCutting(int n) {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if (n <= 3) {
        return 1 * (n - 1);
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    int a = n / 3;
    int b = n % 3;
    if (b == 1) {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return (int)Math.Pow(3, a - 1) * 2 * 2;
    }
    if (b == 2) {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return (int)Math.Pow(3, a) * 2;
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return (int)Math.Pow(3, a);
}
max_product_cutting.go
/* 最大切分乘積：貪婪 */
func maxProductCutting(n int) int {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if n <= 3 {
        return 1 * (n - 1)
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    a := n / 3
    b := n % 3
    if b == 1 {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return int(math.Pow(3, float64(a-1))) * 2 * 2
    }
    if b == 2 {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return int(math.Pow(3, float64(a))) * 2
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return int(math.Pow(3, float64(a)))
}
max_product_cutting.swift
/* 最大切分乘積：貪婪 */
func maxProductCutting(n: Int) -> Int {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if n <= 3 {
        return 1 * (n - 1)
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    let a = n / 3
    let b = n % 3
    if b == 1 {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return pow(3, a - 1) * 2 * 2
    }
    if b == 2 {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return pow(3, a) * 2
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return pow(3, a)
}
max_product_cutting.js
/* 最大切分乘積：貪婪 */
function maxProductCutting(n) {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if (n <= 3) {
        return 1 * (n - 1);
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    let a = Math.floor(n / 3);
    let b = n % 3;
    if (b === 1) {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return Math.pow(3, a - 1) * 2 * 2;
    }
    if (b === 2) {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return Math.pow(3, a) * 2;
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return Math.pow(3, a);
}
max_product_cutting.ts
/* 最大切分乘積：貪婪 */
function maxProductCutting(n: number): number {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if (n <= 3) {
        return 1 * (n - 1);
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    let a: number = Math.floor(n / 3);
    let b: number = n % 3;
    if (b === 1) {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return Math.pow(3, a - 1) * 2 * 2;
    }
    if (b === 2) {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return Math.pow(3, a) * 2;
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return Math.pow(3, a);
}
max_product_cutting.dart
/* 最大切分乘積：貪婪 */
int maxProductCutting(int n) {
  // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
  if (n <= 3) {
    return 1 * (n - 1);
  }
  // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
  int a = n ~/ 3;
  int b = n % 3;
  if (b == 1) {
    // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
    return (pow(3, a - 1) * 2 * 2).toInt();
  }
  if (b == 2) {
    // 當餘數為 2 時，不做處理
    return (pow(3, a) * 2).toInt();
  }
  // 當餘數為 0 時，不做處理
  return pow(3, a).toInt();
}
max_product_cutting.rs
/* 最大切分乘積：貪婪 */
fn max_product_cutting(n: i32) -> i32 {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if n <= 3 {
        return 1 * (n - 1);
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    let a = n / 3;
    let b = n % 3;
    if b == 1 {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        3_i32.pow(a as u32 - 1) * 2 * 2
    } else if b == 2 {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        3_i32.pow(a as u32) * 2
    } else {
        // 當餘數為 0 時，不做處理
        3_i32.pow(a as u32)
    }
}
max_product_cutting.c
/* 最大切分乘積：貪婪 */
int maxProductCutting(int n) {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if (n <= 3) {
        return 1 * (n - 1);
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    int a = n / 3;
    int b = n % 3;
    if (b == 1) {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return pow(3, a - 1) * 2 * 2;
    }
    if (b == 2) {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return pow(3, a) * 2;
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return pow(3, a);
}
max_product_cutting.kt
/* 最大切分乘積：貪婪 */
fun maxProductCutting(n: Int): Int {
    // 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
    if (n <= 3) {
        return 1 * (n - 1)
    }
    // 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
    val a = n / 3
    val b = n % 3
    if (b == 1) {
        // 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
        return 3.0.pow((a - 1)).toInt() * 2 * 2
    }
    if (b == 2) {
        // 當餘數為 2 時，不做處理
        return 3.0.pow(a).toInt() * 2 * 2
    }
    // 當餘數為 0 時，不做處理
    return 3.0.pow(a).toInt()
}
max_product_cutting.rb
### 最大切分乘積：貪婪 ###
def max_product_cutting(n)
  # 當 n <= 3 時，必須切分出一個 1
  return 1 * (n - 1) if n <= 3
  # 貪婪地切分出 3 ，a 為 3 的個數，b 為餘數
  a, b = n / 3, n % 3
  # 當餘數為 1 時，將一對 1 * 3 轉化為 2 * 2
  return (3.pow(a - 1) * 2 * 2).to_i if b == 1
  # 當餘數為 2 時，不做處理
  return (3.pow(a) * 2).to_i if b == 2
  # 當餘數為 0 時，不做處理
  3.pow(a).to_i
end
max_product_cutting.zig
[class]{}-[func]{maxProductCutting}
視覺化執行

最大切分乘積的計算方法

圖 15-16   最大切分乘積的計算方法

時間複雜度取決於程式語言的冪運算的實現方法。以 Python 為例，常用的冪計算函式有三種。

  • 運算子 ** 和函式 pow() 的時間複雜度均為 \(O(\log⁡ a)\) 。
  • 函式 math.pow() 內部呼叫 C 語言庫的 pow() 函式，其執行浮點取冪，時間複雜度為 \(O(1)\) 。

變數 \(a\) 和 \(b\) 使用常數大小的額外空間，因此空間複雜度為 \(O(1)\) 。

3.   正確性證明

使用反證法，只分析 \(n \geq 3\) 的情況。

  1. 所有因子 \(\leq 3\) ：假設最優切分方案中存在 \(\geq 4\) 的因子 \(x\) ，那麼一定可以將其繼續劃分為 \(2(x-2)\) ，從而獲得更大的乘積。這與假設矛盾。
  2. 切分方案不包含 \(1\) ：假設最優切分方案中存在一個因子 \(1\) ，那麼它一定可以合併入另外一個因子中，以獲得更大的乘積。這與假設矛盾。
  3. 切分方案最多包含兩個 \(2\) ：假設最優切分方案中包含三個 \(2\) ，那麼一定可以替換為兩個 \(3\) ，乘積更大。這與假設矛盾。