余数 - 周期性与分组

余数 --周期性与分组

余数就是做除法运算时的剩下的数。

思考题1

100天以后是星期几?

一周有七天,每过7天,便循环到相同的星期数。如果今天星期日,则7天后,14天...这种7天倍数天后,都是星期日。98是7的倍数,则:
98天后 --- 星期天
99天后 --- 星期一
100天后 -- 星期二
答案便是星期二
上面的思考题就是下面这种方法计算的。
0 | 日
1 | 一
2 | 二
3 | 三
4 | 四
5 | 五
6 | 六

100 / 7 = 14 .. 2
因此星期二

余数的力量 -- 将较大的数除一次就能分组

在面对难以直接计算的庞大的数字时,只要发现它是如何循环的,就可以通过余数的力量将其降服。

思考题2

今天星期日,10^100天后星期几?
提示:
如果像求100天以后的星期数那样,我们可以用10^100 除以 7的余数来计算;但实际上由于数字太大了,计算起来相当费力。上题思考题使用星期的周期来解决问题,那么这题有没有其他的周期性呢?

思考
我们并不急于求出10^100,而是依次观察0的个数观察规律。
10^0 一
10^1 三
10^2 二
10^3 六
10^4 四
10^5 五
10^6 一
10^7 三
10^8 二
10^9 六
10^10 四
10^11 五
10^12 一
...
果然有规律

  1. 余数以1,3,2,6,4,5的顺序循环,星期数以一,三,二,六,四,五...的顺序循环;
  2. 通过观察发现,每增加6个0,星期数就相同,因此周期为6,将0的个数除以6,得到的余数为0,1,2,3,4,5的其中之一,它们分别对应星期一,星期三,星期二,星期六,星期四,星期五;
  3. 因此,10^100天以后的星期数,可以将天数中0的个数除以6,通过余数来判断,所以 100 /6 = 16 ...4

所以答案为星期四

思考题3

1234567^987654321的个位数是什么呢?
提示:找个位数的规律

规律和余数的关系

对于庞大的数值不能直接计算,所以先用较小的数字进行试算,找出规律,只要找出规律,就可以通过余数解决。运用余数,大数字的问题就能简化成小数字的问题。

奇偶校验

黑白棋通信

魔术师和他的徒弟在台上表演,下面有3个观众。魔术师蒙着眼睛
1)桌子随机排列着7个黑白棋,魔术师蒙着眼睛,看不到棋子。
2)魔术师的徒弟在看完这7枚棋子之后,又往右面添了一枚棋子,与其他棋子并排,这时有8枚棋子。
3)这时观众可将其中一枚棋子翻转,或不翻转任何棋子;此间,徒弟和观众不发一言,魔术师还是蒙着眼睛,并不知道观众没有翻转棋子。
4)魔术师摘下眼罩,观察8枚棋子,然后马上就能说出“观众翻转了棋子”或“没有翻转棋子”,识破观众的行为。

那魔术师是如何识破观众的行为呢?
提示:
徒弟只是放了一枚棋子,而且放棋子的动作在观众行动之“前”,那么,徒弟是如何向魔术师传递有没有翻转棋子的信息的呢?

答案:
徒弟在观众摆放的7枚棋子中,数出黑棋子个数,若为奇数,就添加黑旗。若为偶数,则添加白棋。不管哪种情况,在最终的8个棋子中,黑棋必为偶数个。
观众可以有1--3三种情况:

  1. 观众翻转白棋,那么黑棋就增加了一枚,即黑棋变为奇数个。
  2. 观众翻转黑棋,那么白棋就增加了一枚,即黑棋也变为奇数个。
  3. 观众不翻转棋子,黑棋仍然是偶数个。

魔术师摘下眼罩,马上数出黑棋的个数。如果黑棋为奇数个,就说“观众翻转了棋子”。如果是偶数个,就说“没有翻转棋子”。
这里,徒弟摆放棋子使黑棋个数为“偶数”;若使黑棋个数为奇数也可以,只要魔术师和徒弟商量好就行。

奇偶校验

我们将魔术师和徒弟表演的戏法想作白棋为2进制的0,黑棋为2进制的1,那么它就和计算机通信中奇偶校验的方法一样的。

  • 徒弟是为发送方,魔术师是接收方。中途翻转黑白棋的观众为“干扰通信的噪音”。
  • 徒弟作为发送方,放置的一个棋子,在通信领域中被称为奇偶校验位,魔术师作为接收方,通过检查摆放的棋子的奇偶性来判断是否因噪音发生了通信错误。
  • 至于奇偶校验位是设为偶数还是奇数,那么在发送方和接收方之间的通信规定中所约定。
    奇偶校验位将数字分为两个集合。
    另外,也可以这么思考。7枚棋子的排列法总共2^7=128种,其中一半(64种)是黑棋为偶数个,另一半(64种)是黑棋为奇数个。128种组合被分为了2组。魔术师的徒弟添加的1枚棋子,起到了标识目前7枚棋子属于哪个组的作用。用摆放黑棋或摆放白棋两种情况,以此来区分两个组。

寻找恋人的思考题

在一个小王国中,有8个村子(A-H),如图所示,各个村之间有道路相连(黑点表示村子,线表示道路)。而你要寻找流浪在这个王国的你唯一的恋人。你的恋人住在这8个村子中的某一个里。 她每过1个月便顺着道路去另一个村子,每个月都一定会换村子,然而选择哪个村子是随机的,预测不了。例如,如果恋人这个月住在G村,那么下个月就住在“C,F,H”中的某个村子。
目前你手上掌握的信息只有,1年前(12个月前),恋人住在G村。请求出这个月恋人住在A村的概率。


image.png

提示:先试算较小的数
恋人12个月前住在G村。那就意味着,在这12个月中,恋人从G开始随机地移动了12次。这次的问题就是要求出移动12次后恋人在A处的概率。
我们先不考虑12次的移动,还是从较小的数着手。

12个月前(第0次移动),恋人在G;
11个月前(第1次移动),恋人在C,F,H其中之一
10个月前 (第2次移动),恋人在B,D,E,G其中之一
9个月前(第3次移动),恋人在A,C,F,H其中之一
8个月前(第4次移动),恋人在B,D,E,G其中之一

从这之后,奇数次移动时,恋人在A,C,F,H其中之一;偶数次移动时,在B,D,E,G其中之一。因此我们得出,现在(第12次移动)恋人在B,D,E,G其中之一,并不在A村。即概率为0

回顾
这个问题的有趣之处在哪儿呢?
恋人游移不定地在各个村子之间碾转。如果考虑恋人所经过的路线的话,就必须研究很多种可能性。
而在刚才的答题过程中,我们并不着眼于路线,而是关注目的地。这样问题就迎刃而解了。
以G为起点,我们将恋人移动奇数次到达的目的地称为“奇数村”,移动偶数次到达的目的地称作“偶数村”

image.png

奇数村:A,C,F,H
偶数村:B,D,E,G

本题的解答要点是:不是分别考虑这8个村的情况,而是将8个村分为奇数村和偶数村2组来解答。因为就算不知道第12次移动具体到达了8个村里的哪个村,但能知道是在奇数村还是偶数村。

A-H这8个村没有一个是既属于奇数村又属于偶数村的。并且,所有这8个村必定属于奇数村或偶数村的其中之一。即,奇数村和偶数村的分类是“兼具排他性和完整性的分类”。并且,从奇数村移动1次就到了偶数村,从偶数村移动一次就到了奇数村。通过该规律,就能够解答这个问题。本题也是奇偶校验的一个例子。

本章小结

  1. 对于难以处理的庞大数值,只要发现其周期性并使用余数,就能简化问题。
  2. 还可以根据余数结果的差异,将许多事物进行分组。
  3. 当我们“想要详细地研究”事物时,往往容易陷入“想正确把握所有细节”的思维。但是,像奇偶性校验那般,较之“正确地把握”,有时“准确地分类”则更加有效
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