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生成n*n蛇形矩陣的算法

編輯:關於JAVA

在描述算法之前,先看看下面的5*5的表格:

1 3 4 10 11 2 5 9 12 19 6 8 13 18 20 7 14 17 21 24 15 16 22 23 25

上面的表格很容易看出規律。就是從左上角第一個格開始(起始為1),然後延右上角到左下角的斜線。先從下到上,再從上到下。開始按數字遞增排列。也就是說每一個斜線上分別有如下幾組數字:

1    2 3     4 5 6       7 8 9 10      11 12 13 14 15          16 17 18 19      20 21 22      23 24       25

由於是先從上到下(1可以看做是從上到下),再從下到上,很象一條蛇,因此,該數字表格也可稱為蛇形矩陣。現在要與一個方法(或函數),方法的參數是一個int類型,表示n,方法返回一個二維數組,表示要獲得的往返接力數字表格。

實際上,這個算法並不復雜,只需要從分別獲得1至n^2中每個數字對應的二維數組的坐標就可以了。先拿這個5行5列的表格來說,求出上面每組數組對應的坐標(起始位置為0)。

第0組

第1組

第2組

第3組

第4組

第5組

第6組

第7組

第8組 1

2 3

4 5 6

7 8 9 10

11 12 13 14 15

16 17 18 19

20 21 22

23 24

25 (0,0)

(1,0)   (0,1)

(0,2)   (1,1)   (2,0)

(3,0)   (2,1)   (1,2)   (0,3)

(0,4)   (1,3)   (2,2)   (3,1)   (4,0)

(4,1)   (3,2)   (2,3)   (1,4)

(2,4)   (3,3)   (4,2)

(4,3)   (3,4)

(4,4)

從上面的從標可以看出一個規律。  左上角的半個表格(以對角線分界)的橫坐標和縱坐標從0開始,每一組增1,直到增至表格的邊界(n - 1),而且是交替的,也就是說,偶數行是列增,行減小,行+列=組的索引。而右下角的4組數字雖然行、列也是交替增長的,但遞減的行或列總是從(n - 1)開始(對於本例,是從4開始),而遞增的行或列總是從index - n + 1開始,其中index表示組的索引。這就可以得出一個算法。實現代碼如下:

public static int[][] getGrid(int n)
{
     int[][] array = new int[n][n];
     int row = 0, col = 0, m = 1;
     //  用於控制奇偶組,false表示偶組,true表示奇組
     boolean isRow = false;
     //  i表示當前組的索引,從0開始
     for (int i = 0; i < (2 * n - 1); i++)
     {
         row = i;
         while (row >= ((i < n) ? 0 : i - n + 1))
         {
             //  如果處理的是右下角表格中的數字,行或列最大不能超過n-1
             if (row > (n - 1))
                 row = n - 1;
             col = i - row;
             if (isRow)
                 array[row][col] = m;
             else  //  將row變成列,將col變成行
                 array[col][row] = m;
             m++;
             row--;
         }
         //  切換奇偶組
         isRow = !isRow;
     }
     return array;
}

另一種算法

上面實現的算法需要循環N*N次才可以生成蛇形矩陣。但仔細分析一下,還可以稍微變換一下這個算法,使循環次數減小至N*N/2。我們上學時曾學過用高斯的方法計算1+2+3+...+100,   1 + 100 = 101,2 + 99 = 101,...,50+51 = 101,因此,結果是101 * 50 = 5050。很方便。我們這個算法也可采用類似的方法。仔細觀察上面5*5的數字表格發現,算出左上角的矩陣中每一個數字後,都可以直接獲得右下角度某個位置的數字。例如在(0,0)位置的1,可以向到(4,4)位置的25,(1,2)位置的9可以得到(3,2)位置的17。我們發現,每一對數之和都為 26。而且它們坐標的關系是(row,col),(n - row - 1, n - col - 1)。因此,只要得到左上角的半個矩陣,就可以得出右下角的另外半個矩陣。如果n為奇數,對角線中間的一個數(在5*5的矩陣中是13)與之對應的數是其自身。好,我們看看改進的算法的實現:

public static int[][] getGrid1(int n)
{
     int[][] array = new int[n][n];
     int row = 0, col = 0, m = 1;
     int number1 =  (n * n / 2 + n * n % 2);
     int number2 = n * n + 1;        
     boolean isRow = false;
     //  number1表示要計算的蛇形矩陣中最大的數字,對於5*5矩陣來說該數是13
     for (int i = 0; m < number1; i++)
     {
         row = i;
         while (row >= 0)
         {
             col = i - row;
             if (isRow)
             {
                 array[row][col] = m;
                 //  填充與m對應的另外一個數
                 array[n - row - 1][n - col - 1] = number2 - m;
             }
             else
             {
                 array[col][row] = m;
                 //  填充與m對應的另外一個數
                 array[n - col - 1][n - row - 1] = number2 - m;
             }
             m++;
             if(m >= number1) break;
             row--;
         }
         isRow = !isRow;
     }
     return array;
}

上面的算法雖然將循環次數減少了一半,但每次循環的計算量增加了,因此,算法總體效率並沒有提高。至於使用哪個算法,可根據實際情況決定。

如果想輸出n=10的數字表格,可以使用int[][] grid = getGrid(10)或int[][] grid1 = getGrid1(10),會得到同樣的結果。輸出grid和grid1,看看是不是下面的結果:

1 3 4 10 11 21 22 36 37 55 2 5 9 12 20 23 35 38 54 56 6 8 13 19 24 34 39 53 57 72 7 14 18 25 33 40 52 58 71 73 15 17 26 32 41 51 59 70 74 85 16 27 31 42 50 60 69 75 84 86 28 30 43 49 61 68 76 83 87 94 29 44 48 62 67 77 82 88 93 95 45 47 63 66 78 81 89 92 96 99 46 64 65 79 80 90 91 97 98 100

哪位還有更好的算法,請跟貼。可以使用任何語言實現。

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