Четыре монеты одна фальшивая как найти взвешиванием

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.

Из четырех монет одна — фальшивая. Она отличается от остальных только весом. Если две монеты положили на чашечные весы, то:

а) их равновесие нарушилось. Как найти фальшивую монету?

б) весы остались в равновесии. Как с помощью еще одного взвешивания найти фальшивую монету?

Решение:

а) Если чаши находятся не в равновесии, то на них есть фальшивая монета, а обе монеты, которые не лежат на чашах настоящие. Снимем одну монету с чаши и заменим ее настоящей. Если чаши по-прежнему будут не в равновесии, то фальшивая монета та, которая все время находится на чашах. Если же чаши пришли в равновесие», то сейчас на чашах обе монеты настоящие, а фальшивая монета та, которую мы сняли с чаши.

б) если чаши находятся в равновесии, то обе монеты на них настоящие. Снимем с чаш одну монету и на ее место уложим ту, которая не была на чашах. Если равновесие чаш не нарушается, то взятая монета также настоящая, а фальшивой является последняя, четвертая монета. Если же равновесие чаш нарушится, то фальшивой является положенная на чашу монета.