问题

100个金币,只有1个略重,其余99个一样重。给你一个天平,最少称几次能确保找出那个略重的?

回答
这个问题很有意思,我们来好好捋一捋。

想象一下,你手里有这100个金币,摸上去手感都差不多,但你知道,其中有一个“捣乱分子”,它比其他99个都沉那么一点点。你手边只有一个天平,这天平很“诚实”,能告诉你哪边重,哪边轻,或者两边一样重。你的目标是,用最少的次数,百分之百地找到那个“沉甸甸”的金币。

咱们先别急着用数字,先想想策略。天平的厉害之处在于,它一次称量就能把一部分金币直接排除掉,或者锁定目标范围。我们的思路就是,每次称量,都要尽可能地让结果帮助我们缩小范围。

如果我把金币分成两份,比如各放50个,往天平两边一放。会发生什么?

情况一:天平平衡了。 这说明,我放上天平的那100个金币里,没有那个略重的金币。这有点奇怪,因为我们知道100个里肯定有一个重的。但如果我真的这么分了,那就说明我一开始对这100个金币的理解有问题。不过,在咱们这个题目里,是明确说了“100个金币,只有1个略重”。所以,这种情况在咱们的题目里是不可能发生的,如果天平真的平衡了,那说明我放上去的50个金币都是正常的,而那个略重的就在剩下的50个里。

情况二:天平不平衡了。 这个就好办了。天平会向下倾斜的那一边,那一边就一定是那个略重的金币所在的组。剩下的那一半就都是正常的,可以直接扔掉了。

看到了吧?第一次称量,我就能从100个金币里,把范围缩小到50个。一次称量,效率很高,一下子去掉了50个。

那接下来怎么办?我们手里还剩下50个“嫌疑币”。继续用刚才的策略,把这50个金币再平均分成两份,每份25个,放在天平两边。

如果天平平衡了: 那就说明,这次称量的这50个金币都是正常的,那个略重的金币一定在没被称量的另外25个里。(但题目说了,100个里有1个重的,所以这次称量,天平必然会倾斜。)
如果天平不平衡了: 那么,倾斜的那一边的25个金币,就一定是包含那个略重金币的。

所以,第二次称量,我能从50个嫌疑币里,把范围缩小到25个。

我们继续这个模式。剩下25个嫌疑币。我怎么分呢?我不能直接平均分,因为25是奇数。我可以这样分:放12个在左边,12个在右边,然后剩下1个单独放在一边,或者不放在天平上,但心里要知道它在哪里。

方案A:12 vs 12,剩下1个。
如果天平平衡了:那就说明,那25个金币里,左右两边那24个都是正常的。那个略重的,就一定是我之前留下的那1个!Bingo!一次称量,我就找到了。
如果天平不平衡了:那么,倾斜的那一边12个金币,就是包含那个略重的。

方案B:12 vs 13。
如果天平平衡了:说明左边12个是正常的。那右边13个里面,肯定有一个是重的。
如果天平不平衡了:倾斜的那边(12个或13个),就是包含那个重的。

嗯,方案A(12 vs 12,剩1个)看起来更有效率。如果一次就平衡,直接就找到了。

所以,第三次称量,我最多可能剩下12个嫌疑币(如果第一次平衡,第二次平衡,但第三次不平衡)。

我们现在有12个嫌疑币。继续平均分:6个在左边,6个在右边。

如果天平平衡了: 那就说明,那12个金币都是正常的,那个略重的金币就藏在剩下的我们没有称量的金币里。但我们刚才分了12个,这是全部剩下的嫌疑币。这就说明,我刚才分的时候,漏掉了什么。
如果天平不平衡了: 那么,倾斜的那一边6个金币,就一定是包含那个略重的。

所以,第四次称量,我最多可能剩下6个嫌疑币。

继续,6个嫌疑币。分3个在左边,3个在右边。

如果天平平衡了: 这不可能,因为剩下的6个就是全部的嫌疑币。
如果天平不平衡了: 倾斜的那一边3个金币,就是包含那个略重的。

所以,第五次称量,我最多可能剩下3个嫌疑币。

现在剩下3个嫌疑币。怎么办?我们这次可以分成1个在左边,1个在右边,剩下的1个不放上去。

情况一:天平平衡了。 这说明,我放上天平的这两个金币都是正常的。那么,那个略重的金币,就一定是那个我没放上天平的金币!找到了!
情况二:天平不平衡了。 那么,倾斜的那一边,那1个金币,就是那个略重的金币!找到了!

所以,最多只需要五次称量,我们就能百分之百地找出那个略重的金币。

我们再梳理一下最优策略:

1. 100个金币。 分成3组:33个,33个,34个。
称量:33个 vs 33个。
如果平衡:重的在剩下的34个里。
如果不平衡:重的在那倾斜的33个里。
结果:最多34个嫌疑币。 (这里的分组是关键,将数量尽量平均分配到三份,而不是两份,因为天平有三类结果:左重、右重、平衡。三份分组可以最大化利用这三类结果。)

这里我犯了一个小错误,上面的分析是基于两份称量。天平是三态的,应该用三份法。 让我们重新开始,用更高效的三份法。

正确的思路:

每次称量,我们将待测的金币分成三组,比如A、B、C。然后将A组放在天平左边,B组放在天平右边。C组则暂时放到一边。

1. 100个金币。 分成三组:33个(A),33个(B),34个(C)。
称量:A组(33个)vs B组(33个)。
结果1:天平平衡。 这意味着A和B组的金币都是正常的,那个略重的金币一定在C组(34个)里面。
结果2:天平倾斜。 假设B组比A组重。那么,那个略重的金币一定在B组(33个)里面。
结论: 第一次称量后,我们将嫌疑金币的数量从100个,最多减少到34个。

2. 最多34个嫌疑币。 同样分成三组。因为34除以3余1,我们可以分成:11个(A),11个(B),12个(C)。
称量:A组(11个)vs B组(11个)。
结果1:天平平衡。 那么,略重的金币一定在C组(12个)里面。
结果2:天平倾斜。 假设B组比A组重。那么,略重的金币一定在B组(11个)里面。
结论: 第二次称量后,我们将嫌疑金币的数量从最多34个,最多减少到12个。

3. 最多12个嫌疑币。 分成三组:4个(A),4个(B),4个(C)。
称量:A组(4个)vs B组(4个)。
结果1:天平平衡。 那么,略重的金币一定在C组(4个)里面。
结果2:天平倾斜。 假设B组比A组重。那么,略重的金币一定在B组(4个)里面。
结论: 第三次称量后,我们将嫌疑金币的数量从最多12个,最多减少到4个。

4. 最多4个嫌疑币。 分成三组:1个(A),1个(B),2个(C)。
称量:A组(1个)vs B组(1个)。
结果1:天平平衡。 那么,略重的金币一定在C组(2个)里面。
结果2:天平倾斜。 假设B组比A组重。那么,略重的金币就是B组的那个(1个)!直接找到了!
结论: 第四次称量后,我们就知道了那个略重的金币(或者它在一个只有2个的组里)。

5. 如果上一轮(第4次)天平平衡了,我们剩下2个嫌疑币(C组)。
称量:取其中1个(比如C1)vs 1个已知的正常金币(从前面任何一次平衡的组里随便拿一个)。
结果1:天平平衡。 说明C1是正常的,那么另一个(C2)就是略重的。
结果2:天平倾斜。 说明C1比正常的金币重,那么C1就是那个略重的。
结论: 第五次称量,我们肯定能找到那个略重的金币。

所以,最少称5次,我们就能确保找出那个略重的金币。

这个方法之所以高效,是因为每次称量,我们都把嫌疑金币的数量变成了原来的约三分之一(100 > 34 > 12 > 4 > 2 > 1),这种指数级的缩小范围,在数学上是最优的。你可以想象一下,3的5次方是243,远远大于100,说明5次称量足够应对100个金币了。

这样一来,每次称量都将可能范围缩小,最终锁定那个“捣乱鬼”。

网友意见

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我知道能用5次找到,能不能有四次的解法

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