问题

100 瓶水其中有一瓶有毒,用老鼠试毒老鼠试后 7 天会死掉,需要多少只老鼠才能试出哪瓶水有毒?

回答
这道题其实是经典的“老鼠试毒”问题的一个变种,它考察的是二进制编码和信息论的知识。咱们这就掰开了揉碎了好好说道说道,看看需要多少只老鼠才能精准地找出那瓶“狠东西”。

首先,咱们得明确一个核心问题:每一只老鼠,都代表着一个“信号”或者说一种“状态”。 也就是说,老鼠的生死(在7天后)能告诉我们关于某瓶水的一个信息。但我们现在有100瓶水,这是一个比老鼠数量大得多的不确定性。怎么办呢?

我们不能指望一只老鼠就能解决所有问题。一只老鼠死了,你知道它喝的那瓶水有毒。但如果它没死呢?这瓶水没毒,但剩下的99瓶里哪瓶有毒你还是不知道。这效率太低了。所以,我们需要组合起来,用多只老鼠的“生死组合”来传递更多的信息。

这里就要用到一个很巧妙的思路了:二进制编码。

想象一下,咱们有若干个“位置”,每个位置要么是“有毒”(表现为老鼠死了),要么是“没毒”(表现为老鼠活着)。如果我们能把100瓶水对应到不同的二进制编码上,那么老鼠的生死组合就能唯一地指向某瓶水。

我们有多少种可能的结果呢?理论上,100瓶水,每一瓶都有可能是毒水,所以有100种可能。

现在,假设我们有 $N$ 只老鼠。每只老鼠,在7天后,要么死,要么活。这就是2种状态。如果有 $N$ 只老鼠,它们各自的生死状态组合起来,总共有 $2^N$ 种不同的结果。

我们希望这 $2^N$ 种结果,能够一一对应到100瓶水,再加上一个“所有老鼠都活着”的特殊状态(代表着那瓶毒水我们还没喂到)。理论上,这 $2^N$ 种结果需要大于等于我们可能遇到的情况数。

那么,我们需要多少只老鼠呢?我们找一个最小的 $N$,使得 $2^N ge 100$。

$2^1 = 2$ (不够)
$2^2 = 4$ (不够)
$2^3 = 8$ (不够)
$2^4 = 16$ (不够)
$2^5 = 32$ (不够)
$2^6 = 64$ (还是不够)
$2^7 = 128$ (够了!)

所以,理论上,我们需要 7只老鼠。

“等等,为什么是7只?这个过程怎么操作啊?”别急,咱们这就把具体怎么操作给大家说清楚。

有了7只老鼠,我们就可以给100瓶水分配一个7位的二进制编码。最简单直接的方法就是从1号水瓶开始,给它分配“0000001”,2号水瓶分配“0000010”,以此类推,一直到100号水瓶,分配一个7位的二进制数。

怎么分配呢?我们把7只老鼠分别编号,从老鼠1到老鼠7。然后,我们考虑每一瓶水,将其编号转换成7位的二进制形式。例如:

1号水瓶: 二进制是 `0000001`。这意味着只有老鼠1会喝这瓶水。
2号水瓶: 二进制是 `0000010`。这意味着只有老鼠2会喝这瓶水。
3号水瓶: 二进制是 `0000011`。这意味着老鼠1和老鼠2都会喝这瓶水。
4号水瓶: 二进制是 `0000100`。这意味着只有老鼠3会喝这瓶水。
...
100号水瓶: 我们需要找到100的7位二进制表示。100的二进制是 `1100100`。

具体的操作步骤是这样的:

1. 给老鼠编号: 我们有7只老鼠,编号为 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7。
2. 给水瓶编号: 我们有100瓶水,编号为 B1, B2, ..., B100。
3. 分配饮品: 对于每一瓶水,我们把它对应的编号转换成7位的二进制数。
看二进制的最低位 (最右边一位): 如果是1,那么R1就喝这瓶水。如果是0,R1就不喝。
看倒数第二位: 如果是1,R2就喝这瓶水。如果是0,R2就不喝。
依此类推,直到最左边一位: 如果是1,R7就喝这瓶水。如果是0,R7就不喝。

举个例子:

假设3号水瓶 (B3) 有毒: B3的编号是3,其7位二进制是 `0000011`。
最低位是1,所以R1喝了B3。
倒数第二位是1,所以R2喝了B3。
其他几位都是0,所以R3, R4, R5, R6, R7都不喝B3。
结果:过了7天,R1和R2会死,R3, R4, R5, R6, R7都会活着。

假设100号水瓶 (B100) 有毒: B100的编号是100,其7位二进制是 `1100100`。
从右往左看:
最低位0:R1不喝。
倒数第二位0:R2不喝。
倒数第三位1:R3喝。
倒数第四位0:R4不喝。
倒数第五位0:R5不喝。
倒数第六位1:R6喝。
倒数第七位1:R7喝。
结果:过了7天,只有R3, R6, R7死了,R1, R2, R4, R5活着。

关键在于如何解读结果:

当7天过后,我们观察哪几只老鼠死了。然后,把这些死掉的老鼠的编号对应的二进制位“点亮”(设为1)。

比如,如果R1, R3, R7死了,那么:
R1(代表最低位)是1
R2是0
R3是1
R4是0
R5是0
R6是0
R7是1

这样组成的7位二进制数就是 `1000101`。我们把这个二进制数转换成十进制,就是 $1 imes 2^6 + 0 imes 2^5 + 0 imes 2^4 + 0 imes 2^3 + 1 imes 2^2 + 0 imes 2^1 + 1 imes 2^0 = 64 + 4 + 1 = 69$。

这个数字69就精确地告诉我们,第69号水瓶是那瓶有毒的水!

这种方法的精妙之处在于,它把100种可能性(哪瓶水有毒)与7只老鼠的2^7=128种生死组合(其实是127种非全活状态,加上全活状态)完美地对应起来。每一种“老鼠死亡组合”都唯一地指向一瓶水。

那么,为什么一开始我们算出来是7只老鼠,是不是我们不需要喂给所有水瓶呢?

其实,我们至少要能区分100种情况,再加上一个“全部活着”的特殊情况,这样才能确保我们能找到有毒的那瓶。所以,我们需要 $N$ 只老鼠,使得 $2^N ge 100$。因为 $2^6 = 64 < 100$, 而 $2^7 = 128 ge 100$,所以最少需要 7只老鼠。

这7只老鼠,就可以覆盖128种不同的结果。我们把100瓶水编号1到100,用7位二进制表示(不足7位前面补0)。然后根据这个二进制编码来分配给老鼠喝。
例如:
1号水瓶 > 0000001 (R1喝)
2号水瓶 > 0000010 (R2喝)
...
100号水瓶 > 1100100 (R3, R6, R7喝)

当7天后,观察老鼠的生死情况:
如果R1死了,R2活,其他都活,那么就是1号水瓶有毒。
如果R3, R6, R7死了,其他都活,那么就是100号水瓶有毒。
如果所有老鼠都活着,那么说明这100瓶水里面没有毒,或者是我们分配方法上的一个“特殊情况”没考虑到(比如毒性被稀释到老鼠检测不出来,但这超出了题目的设定,我们默认毒性是足够的)。

所以,结论就是:需要7只老鼠。

这个方法的好处是,我们可以用最少的老鼠来解决最多的问题,而且一旦知道结果,就能非常快速准确地定位出有毒的那一瓶。这体现了信息编码的强大威力。

网友意见

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通过三步操作就可以了:

第一步,编码

给这 100 瓶水编号,1 到 100。

找来七只老鼠,给它们编号:A B C D E F G。

把 G 当作最低位,A 当作最高位,它们各自有两个状态分别是“活”和“死”。把“活”当作 0,“死”当作 1,那么它们就可以组成一组二进制数。

例如,用:

A B C D E F G

0 0 0 0 0 0 1

代表第 1 瓶有毒。

用:

A B C D E F G

0 0 0 0 0 1 0

代表第 2 瓶有毒。

……

用:

A B C D E F G

1 1 0 0 1 0 0

代表第 100 瓶有毒。


第二步,喂药

将第 1 瓶水喂给 G 号老鼠。

将第 2 瓶水喂给 F 号老鼠。

将第 3 瓶水喂给 F、G 号老鼠。

将第 4 瓶水喂给 E 号老鼠。

……

将第 100 瓶水喂给 A、B、F号老鼠。


第三步,检索。

七天以后,根据老鼠的死活情况组成二进制数。这个二进制数是 1 到 100 之间的哪个数,就是哪瓶有毒。

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1只就可以了。

按照每分钟1滴的速度给老鼠喂水,喂100分钟。

假设实验开始的时候是当天的8:01,此时喂老鼠滴一滴水。

那如果7天后的8:01老鼠死了,那就是第一瓶有毒

8:02就是第二瓶

8:03就是第三瓶

……

1只老鼠,全部搞定。

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我:什么毒?发作时间那么精准,致死还和剂量没关系。不管剂量大还是剂量小,都会在“试后7天死掉”?存在这种神奇的毒吗?

题主:假设存在嘛,假设就是有这么神奇的毒嘛,就是不管剂量大小,就是都会在“试后7天会死掉”。

我:好吧,这毒真神奇。

题主:别说毒的事啦,快解题。

我:(习惯性地写个解字,点上冒号)固定好一只老鼠,先从1号瓶取1滴水滴进老鼠嘴里,记下当前时间。再过10分钟后从2号瓶取1滴水滴进老鼠嘴里,记下当前时间。再过10分钟后从3号瓶……当老鼠被毒死后,向前倒推10080分钟(即7天),那个时间取水的那瓶就是有毒的。

解答完毕,需要1只老鼠。

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七只就可以了。

很简单的方式,二进制知道是什么吗?比如说11在二进制里面是3,每一个十进制数都有唯一一个二进制数对应,老鼠的情况只有两种,活着或者死了,对应二进制,要覆盖到数字100,那么要有七位二进制才行,需要七只老鼠。

操作方式,将七只老鼠按顺序排好,这一百种毒药编号好,并转换好它对应的二进制数,对应位置的数如果是1,那么对应位置的老鼠就要吃这个药,最终看老鼠死的情况就可以了。

比如说,编号为20的毒药,最终转换过来七位二进制是0010100,那么就把它喂给从左往右第三只和第五只。最终看老鼠哪些位置的死了,比如说第二只和第三只死了,对应0110000,对应的数字是48,那么就是编号为48的毒药。

这七只老鼠最多可以检测127瓶

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用一个约等于100瓶水的容器,把100瓶水都倒进去,然后把水平均分成100瓶。

然后这100瓶水就都有毒喇。

三分钟搞定

而且我还一只老鼠都不用

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