将正整数 N 分解以最大化乘积的奥秘
想象一下,你有一个数字 N,比如 10。你可以把 10 分解成很多种不同的组合,比如:
10 = 5 + 5,乘积是 5 5 = 25
10 = 2 + 8,乘积是 2 8 = 16
10 = 3 + 7,乘积是 3 7 = 21
10 = 4 + 6,乘积是 4 6 = 24
10 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1,乘积是 1
10 = 2 + 2 + 2 + 2 + 2,乘积是 2 2 2 2 2 = 32
10 = 3 + 3 + 4,乘积是 3 3 4 = 36
10 = 3 + 3 + 3 + 1,乘积是 3 3 3 1 = 27
我们一直在寻找的,就是哪一种分解方式能让这些被分解的数字相乘的结果最大。这不仅仅是一个数学游戏,在某些工程优化、资源分配等实际问题中也可能遇到类似的思考。
初步观察与直觉
我们先来做一些简单的观察:
1. 为什么不包含 1? 如果我们的分解中有一个 1,例如 N = a + b + 1,那么我们可以将这个 1 和另一个数字(比如 a)合并,变成 (a+1) + b。比较乘积:a b 1 vs (a+1) b。很明显,(a+1) b > a b。所以,为了最大化乘积,我们应该尽量避免使用 1。唯一的例外是当 N 本身就是 1 的时候,但题目说了 N 是正整数,而且“分解成若干个正整数之和”,通常这意味着分解的数不少于两个。即便 N=1,分解成 1 也没法再分解了,乘积就是 1。
2. 数字越接近越好? 看看我们上面分解 10 的例子:
5 和 5 的乘积是 25。
4 和 6 的乘积是 24。
3 和 7 的乘积是 21。
似乎数字越接近,乘积越大。这让我想起了均值不等式,虽然这里不是直接应用,但这种“平均分散”的趋势确实引导我们思考。
3. 大数拆小有什么好处? 比如 N = 6。
6,乘积是 6。
3 + 3,乘积是 3 3 = 9。
2 + 4,乘积是 2 4 = 8。
2 + 2 + 2,乘积是 2 2 2 = 8。
可以看到,将一个较大的数拆分成更小的数,特别是拆成接近的数,可以增加乘积。
关键的发现:数字 3 是我们的好朋友
在排除 1 之后,我们剩下的就是 2 和大于等于 3 的数字。
考虑数字 4: 如果我们的分解中有一个 4,我们能不能用更小的数来代替它,从而获得更大的乘积?
4 可以分解成 2 + 2。乘积是 2 2 = 4。
所以,用两个 2 代替一个 4,乘积不变。这告诉我们,4 本身是可以的,但用两个 2 代替它也同样好。
考虑数字 5: 如果有 5,我们能换成更小的数吗?
5 可以分解成 2 + 3。乘积是 2 3 = 6。
因为 6 > 5,所以用 2 和 3 来代替 5,乘积会变大。这表明我们应该避免使用 5。
考虑数字 6: 如果有 6,我们能换成更小的数吗?
6 可以分解成 3 + 3。乘积是 3 3 = 9。
因为 9 > 6,所以用两个 3 来代替 6,乘积会变大。这表明我们应该避免使用 6。
从上面的例子我们可以得出一些重要的结论:
任何大于 4 的数都可以被分解成更小的数,且乘积会变大。
一个大于 4 的整数 k,总可以写成 k = 3 + (k3)。当 k3 >= 2 时,3 (k3) > k。
例如,k=5, 3(53) = 32 = 6 > 5.
例如,k=6, 3(63) = 33 = 9 > 6.
k=7, 3(73) = 34 = 12 > 7. (这里的 4 还可以进一步分解成 2+2,变成 322 = 12)
所以,我们分解出的数,最好不要大于 4。
那么我们分解出的数应该是什么呢?
我们已经知道要排除 1。
我们发现 4 可以被两个 2 代替,乘积不变。
我们发现 5 可以被 2 和 3 代替,乘积变大。
我们发现 6 可以被两个 3 代替,乘积变大。
这强烈暗示着,我们分解出的数应该只包含 2 和 3。
进一步优化:三个 2 对比两个 3
现在我们只需要比较使用 2 和 3 的最优组合。我们知道,目标是将 N 分解成尽可能多的 3,因为 3 提供的“单位长度”的乘积收益最高。
我们知道 3+3 = 6,乘积是 9。
我们知道 2+2+2 = 6,乘积是 8。
对比 3+3 和 2+2+2: 它们都等于 6,但 3+3 的乘积 (9) 大于 2+2+2 的乘积 (8)。
这意味着,如果我们有三个 2,我们应该将它们组合成两个 3。也就是说,我们应该尽量多地使用 3,而尽量少地使用 2。
终极分解策略
综合以上分析,我们可以得出最优分解策略:
1. 优先使用 3: 将 N 尽可能地分解成 3 的和。
2. 处理余数:
如果 N 除以 3 余 0,那么 N 就是若干个 3 的和,这是最优的。
如果 N 除以 3 余 1,那么我们会有一个 1 的余数。例如 N=10, 10 = 3 + 3 + 3 + 1。我们已经知道 1 不利于乘积。我们可以将这个余数 1 和其中一个 3 合并,变成 4。所以 10 = 3 + 3 + 4。然后,将 4 分解成 2 + 2。最终得到 10 = 3 + 3 + 2 + 2。乘积是 3 3 2 2 = 36。
换个角度思考,当余数是 1 时,我们实际上是 N1 个 3 和一个 1。与其这样,不如从这堆 3 中拿一个出来,和那个 1 组成一个 4,然后把这个 4 再分解成两个 2。所以 N = (N1)/3 个 3,加上两个 2。或者说,N = (N4)/3 个 3,加上两个 2。更直接的理解是,如果 N 模 3 余 1,就用 (N4)/3 个 3,再加上两个 2。比如 N=7, 7=3+3+1。10=3+3+2+2,乘积36。 7 = 3+2+2, 乘积 12. (74)/3 = 1个3,加上两个2. 322 = 12.
如果 N 除以 3 余 2,那么 N 就是若干个 3 和一个 2 的和。例如 N=8, 8 = 3 + 3 + 2。乘积是 3 3 2 = 18。这是最优的。
更简洁的表述:
将 N 分解成尽可能多的 3。
如果 N 被 3 整除,则 N 为若干个 3 的乘积。
如果 N 除以 3 余 1,将其中一个 3 换成两个 2。即用 (N4)/3 个 3 和两个 2 来分解 N。
如果 N 除以 3 余 2,则 N 为若干个 3 和一个 2 的乘积。
算法步骤
让我们用一个实际的例子来演示这个算法,比如 N = 13。
1. N 除以 3: 13 ÷ 3 = 4 余 1。
2. 余数是 1: 这意味着我们需要处理余数 1 的情况。根据策略,我们应该用若干个 3 和两个 2 来代替。
我们知道 13 = 3 + 3 + 3 + 3 + 1。
将最后一个 1 和一个 3 合并成 4:13 = 3 + 3 + 3 + 4。
将 4 分解成 2 + 2:13 = 3 + 3 + 3 + 2 + 2。
所以,13 的最优分解是三个 3 和两个 2。
乘积是 3 3 3 2 2 = 27 4 = 108。
让我们再举个例子,N = 10:
1. N 除以 3: 10 ÷ 3 = 3 余 1。
2. 余数是 1:
10 = 3 + 3 + 3 + 1。
将一个 3 和 1 合并成 4:10 = 3 + 3 + 4。
将 4 分解成 2 + 2:10 = 3 + 3 + 2 + 2。
最优分解是两个 3 和两个 2。
乘积是 3 3 2 2 = 36。
再一个例子,N = 11:
1. N 除以 3: 11 ÷ 3 = 3 余 2。
2. 余数是 2: 这意味着我们可以用若干个 3 和一个 2 来分解。
11 = 3 + 3 + 3 + 2。
最优分解是三个 3 和一个 2。
乘积是 3 3 3 2 = 27 2 = 54。
总结起来,寻找最大乘积的思路是:
核心思想是利用数字 3。 因为在相同的总和下,3 提供的乘积收益最高。
避免使用 1。
避免使用大于等于 4 的数。 因为任何大于 4 的数都可以被拆分成更小的数(2和3),并且乘积会变大。
三个 2 不如两个 3。 当分解到数字 2 时,我们需要注意,三个 2 的乘积是 8,而它们加起来等于 6,如果能用两个 3 来代替(加起来也等于 6),乘积是 9,显然更好。
所以,最简单的理解方式就是:把 N 分解成尽可能多的 3,然后根据余数来调整(主要是用 2 来凑)。
代码实现(思考方式):
如果你要写代码来实现,大概会是这样的逻辑:
1. 如果 N <= 1,直接返回 N。
2. 如果 N == 2,返回 2。
3. 如果 N == 3,返回 3。
4. 如果 N % 3 == 0: 循环打印 N/3 个 "3"。
5. 如果 N % 3 == 1:
打印 (N/3 1) 个 "3"。
打印两个 "2"。 (因为 N = 3(N/3) + 1 = 3((N/3)1) + 3 + 1 = 3((N/3)1) + 4 = 3((N/3)1) + 2 + 2 )
6. 如果 N % 3 == 2:
打印 N/3 个 "3"。
打印一个 "2"。
这就是将一个正整数 N 分解成若干个正整数之和,以使这些数的乘积最大的方法。它背后的数学原理是基于数字 3 在乘法上的优势以及对其他数字(1, 4, 5, 6...)的优化处理。