leetcode[60]Permutation Sequence 以及全排列的编码与解码——康托展开 (附完整代码)

来源：互联网发布：网络综艺节目2017 编辑：程序博客网时间：2024/06/09 18:56

leetcode[60]Permutation Sequence C++的代码答案：

class Solution {
public:
string getPermutation(int n, int k) {
assert(k > 0);
string result;

string source_s;
for(int i=1;i<=n;++i){
source_s.push_back('0'+i);
}//源数据，记录全排列每一步还需排列的数字

k--;//康托展开k-1在计算
for(int i =0;i<n;++i){
int temp;
temp = k/jieche(n-i-1);
result.push_back(source_s[temp]);
source_s.erase(temp,1);
k=k%jieche(n-i-1);
}
return result;
}
int jieche(int a){
int jc_res = 1;
for(int i =2;i<=a;i++){
jc_res = jc_res*i;
}
return jc_res;
}
};

一、康托展开：全排列到一个自然数的双射

X=an*(n-1)!+an-1*(n-2)!+...+ai*(i-1)!+...+a2*1!+a1*0!

ai为整数，并且0<=ai<i(1<=i<=n)

适用范围：没有重复元素的全排列

二、全排列的编码：

{1,2,3,4,...,n}的排列总共有n!种，将它们从小到大排序，怎样知道其中一种排列是有序序列中的第几个？

如 {1,2,3} 按从小到大排列一共6个：123 132 213 231 312 321。想知道321是{1,2,3}中第几个大的数。

这样考虑：第一位是3，小于3的数有1、2 。所以有2*2!个。再看小于第二位，小于2的数只有一个就是1 ，所以有1*1!=1 所以小于32

的{1,2,3}排列数有2*2!+1*1!=5个。所以321是第6个大的数。2*2!+1*1!是康托展开。（注意判断排列是第几个时要在康托展开的结果后+1）

再举个例子：1324是{1,2,3,4}排列数中第几个大的数：第一位是1小于1的数没有，是0个，0*3!，第二位是3小于3的数有1和2，但1已经在第一位了，所以只有一个数2，1*2! 。第三位是2小于2的数是1，但1在第一位，所以有0个数，0*1!，所以比1324小的排列有0*3!+1*2!+0*1!=2个，1324是第三个大数。

又例如，排列3 5 7 4 1 2 9 6 8展开为98884，因为X=2*8!+3*7!+4*6!+2*5!+0*4!+0*3!+2*2!+0*1!+0*0!=98884.

解释：

排列的第一位是3，比3小的数有两个，以这样的数开始的排列有8!个，因此第一项为2*8!

排列的第二位是5，比5小的数有1、2、3、4，由于3已经出现，因此共有3个比5小的数，这样的排列有7!个，因此第二项为3*7!

以此类推，直至0*0!

三、全排列的解码

如何找出第16个（按字典序的）{1,2,3,4,5}的全排列？

1. 首先用16-1得到15

2. 用15去除4! 得到0余15

3. 用15去除3! 得到2余3

4. 用3去除2! 得到1余1

5. 用1去除1! 得到1余0

有0个数比它小的数是1，所以第一位是1

有2个数比它小的数是3，但1已经在之前出现过了所以是4

有1个数比它小的数是2，但1已经在之前出现过了所以是3

有1个数比它小的数是2，但1,3,4都出现过了所以是5

最后一个数只能是2

所以排列为1 4 3 5 2

通过康托逆展开生成全排列

　　如果已知 s = ["A", "B", "C", "D"]，X(s1) = 20，能否推出 s1 = ["D", "B", "A", "C"] 呢？
　　因为已知 X(s1) = a4*3! + a3*2! + a2*1! + a1*0! = 20，所以问题变成由 20 能否唯一地映射出一组 a4、a3、a2、a1？如果不考虑 ai 的取值范围，有
3*3! + 1*2! + 0*1! + 0*0! = 20
2*3! + 4*2! + 0*1! + 0*0! = 20
1*3! + 7*2! + 0*1! + 0*0! = 20
0*3! + 10*2! + 0*1! + 0*0! = 20
0*3! + 0*2! + 20*1! + 0*0! = 20
等等。但是满足 0 <= ai <= n-1 的只有第一组。可以使用辗转相除的方法得到 ai，如下图所示：

知道了a4、a3、a2、a1的值，就可以知道s1[0] 是子数组["A", "B", "C", "D"]中第3大的元素 "D"，s1[1] 是子数组 ["A", "B", "C"] 中第1大的元素"B"，s1[2] 是子数组 ["A", "C"] 中第0大的元素"A"，s[3] 是子数组 ["C"] 中第0大的元素"C"，所以s1 = ["D", "B", "A", "C"]。
这样我们就能写出一个函数 Permutation3()，它可以返回 s 的第 m 个排列。

// 返回 s 的第 m 个排列（m 从 0 开始）。要求 s 是升序排列的
static string[] Permutation3(string[] s, int m)
{
    IList<string> sub = new List<string>(s);
    IList<string> result = new List<string>();
    for (int i = s.Length - 1; i >= 0; i--)
    {
        int f = Factorial(i);
        int ai = m / f;
        string item = sub[ai]; // 由于数组是升序排列的，所以第 ai 大的元素就是 sub[ai]
        result.Add(item);
        sub.RemoveAt(ai);
        m = m % f;
    }
    return result.ToArray();
}

测试一下：

string[] s = new string[] { "A","B","C","D" };
for (int i = 0; i < Factorial(s.Length); i++)
{
    string[] s1 = Permutation3(s, i);
    Console.WriteLine(s1.Montage(t => t, " "));
}

附录康托展开是怎么来的？

　　很显然，康托展开是本文的关键所在。你说康托他老人家当初是怎么想出来这种展开的方法的呢？我们还是以 s=["A", "B", "C"] 为例：

A B C | 0
A C B | 1
B A C | 2
B C A | 3
C A B | 4
C B A | 5

　　他的思路可能是这样的：首先，确定一个目标：将每个排列映射为一个自然数，这个自然数是顺序增长的（或者至少要有一定的规律）。要说映射成自然数，第一个想到的方法自然是把数组的下标当作一个n进制的数字，但是正如本文开篇所讨论的，这个数字并没有什么规律；第二个方法是计数，也就是令 X = 当前排列之前有多少个排列。例如 A B C 是第一个排列，它前面没有任何排列，所以 X(ABC) = 0；A C B 前面有一个排列，所以 X(ACB) = 1……那么如何才能知道 X(BCA) = 3 也就是 B C A 的前面有3个排列呢？这里的技巧仍然是分解——把问题分隔成相互独立的有限的小块。具体的方法是：先求出 B 第一次出现在最高位（也就是 B A C 这个排列）时前面有几个排列，再求出 B C A 是 B A C 后面第几个排列，把这个两个数相加就是想要的结果了。
　　先看第一个问题：B 第一次出现在最高位（也就是 B A C 这个排列）时前面有几个排列？由于已知 B A C 前面的排列一定是 A 开头的，所以只有 A 后面的两个元素可以变化，所以排列数是 P(2,2) = 2! 个。
　　第二个问题：B C A 是 B A C 后面第几个排列？因为都是 B 开头的，所以可以把开头的 B 忽略，问题变成 C A 是 A C 后面的第几个排列？同样，可以先考虑 C 第一次出现在最高位时前面有几个排列，因为 C A 前面的排列肯定是 A 开头的，所以只有 A 后面的一个元素可以变化，所以排列数是 P(1,1) = 1! 个。
　　所以 X(BCA) = 2! + 1! = 3
　　再例如想求 X(CBA)，同样是先考虑 C 第一次出现在最高位时前面有多少个排列，因为比 C 小的元素有 A 和 B 两个，所以是 2*2! 个。再求出 B A 是 A B 后面的第 1! 个排列。就可以知道 X(CBA) = 2*2! + 1! = 5 了

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