我在上次面试中遇到的一个问题是:

设计函数f,使得:f(f(n))==-n其中n是32位有符号整数;你不能用复数算术。如果你不能为整个数字范围设计这样的函数,那么就尽可能为最大范围设计它。

有什么想法吗?


当前回答

根据您的平台,某些语言允许您在函数中保持状态。VB.Net,例如:

Function f(ByVal n As Integer) As Integer
    Static flag As Integer = -1
    flag *= -1

    Return n * flag
End Function

IIRC、C++也允许这样做。我怀疑他们正在寻找不同的解决方案。

另一个想法是,由于它们没有定义函数第一次调用的结果,因此可以使用奇数/均匀度来控制是否反转符号:

int f(int n)
{
   int sign = n>=0?1:-1;
   if (abs(n)%2 == 0)
      return ((abs(n)+1)*sign * -1;
   else
      return (abs(n)-1)*sign;
}

所有偶数的幅度加一,所有奇数的幅度减一。两次调用的结果大小相同,但在一次调用中,我们甚至交换了符号。在某些情况下,这不会起作用(-1,max或min int),但它的效果比迄今为止任何其他建议都要好得多。

其他回答

下面是一个简短的Python答案:

def f(n):
  m = -n if n % 2 == 0 else n
  return m + sign(n)

一般情况

稍微调整一下上面的内容就可以处理我们希望k个自调用否定输入的情况——例如,如果k=3,这意味着g(g(g)n))=-n:

def g(n):
  if n % k: return n + sign(n)
  return -n + (k - 1) * sign(n)

这是通过将0保留在适当位置并创建长度为2*k的循环来实现的,因此,在任何循环中,n和-n之间的距离为k。具体来说,每个周期如下:

N * k + 1, N * k + 2, ... , N * k + (k - 1), - N * k - 1, ... , - N * k - (k - 1)

或者,为了更容易理解,这里是k=3的示例循环:

1, 2, 3, -1, -2, -3
4, 5, 6, -4, -5, -6

这组循环最大化了在任何以零为中心的机器类型(如有符号int32或有符号int64类型)内工作的输入范围。

兼容范围分析

映射x->f(x)实际上必须形成长度为2*k的循环,其中x=0是特殊情况下的1-长度循环,因为-0=0。因此,一般k的问题是可解的,当且仅当输入-1(补偿0)的范围是2*k的倍数,并且正负范围是相反的。

对于有符号整数表示,我们总是有一个最小的负数,在该范围内没有正的对应项,因此该问题在整个范围内变得不可解决。例如,有符号字符的范围为[-128127],因此在给定范围内f(f(-128))=128是不可能的。

这对所有负数都是正确的。

    f(n) = abs(n)

因为两个互补整数的负数比正数多一个,所以f(n)=abs(n)比f(n(n)=n>0-n:n溶液,与f(n)=-abs(n)相同。一个接一个…:D

更新

不,这对一个以上的案例无效,因为我刚从李布的评论中认识到。。。abs(Int.Min)将溢出。。。

我也想过使用mod 2信息,但得出的结论是,它不起作用。。。到早期。如果操作正确,它将适用于除Int.Min之外的所有数字,因为这将溢出。

更新

我玩了一段时间,寻找一个很好的位操作技巧,但我找不到一个很不错的单行线,而mod 2解决方案适合一个。

    f(n) = 2n(abs(n) % 2) - n + sgn(n)

在C#中,这变成了以下内容:

public static Int32 f(Int32 n)
{
    return 2 * n * (Math.Abs(n) % 2) - n + Math.Sign(n);
}

要使其适用于所有值,必须将Math.Abs()替换为(n>0)+n:-n,并将计算包含在未选中的块中。然后,您甚至可以像未检查的否定一样将Int.Min映射到自身。

更新

受另一个答案的启发,我将解释函数是如何工作的,以及如何构造这样的函数。

让我们从头开始。函数f被重复应用于给定值n,产生一系列值。

    n => f(n) => f(f(n)) => f(f(f(n))) => f(f(f(f(n)))) => ...

这个问题要求f(f(n))=-n,即f的两个连续应用否定这个论点。另外两次应用f-总共四次-再次否定论点,再次产生n。

    n => f(n) => -n => f(f(f(n))) => n => f(n) => ...

现在有一个明显的长度为4的循环。代入x=f(n),并注意所获得的方程式f(f(f)n))=f(f f(x))=-x成立,得出以下结果。

    n => x => -n => -x => n => ...

所以我们得到一个长度为4的循环,有两个数字,两个数字被取反。如果将循环想象为矩形,则取反的值位于相反的角落。

构建这样一个循环的许多解决方案之一是从n开始的以下方法。

 n                 => negate and subtract one
-n - 1 = -(n + 1)  => add one
-n                 => negate and add one
 n + 1             => subtract one
 n

一个具体的例子是这样一个循环:+1=>-2=>-1=>+2=>+1。我们快完成了。注意到所构造的循环包含一个奇数正数,它的偶数后继数,并且两个数都是负数,我们可以很容易地将整数划分为许多这样的循环(2^32是四的倍数),并找到了满足条件的函数。

但我们有一个零的问题。循环必须包含0=>x=>0,因为零对自身求反。因为循环状态已经是0=>x,所以它遵循0=>x=>0=>x。这只是一个长度为2的循环,x在两次应用后变为自身,而不是变为-x。幸运的是,有一个案例解决了这个问题。如果X等于零,我们得到一个长度为1的循环,它只包含零,我们解决了这个问题,得出结论,零是f的不动点。

完成?几乎我们有2^32个数字,零是留下2^32-1个数字的固定点,我们必须将这个数字分成四个数字的循环。糟糕的是,2^32-1不是四的倍数-在任何长度为四的循环中都会保留三个数字。

我将使用范围从-4到+3的较小的3位带符号iteger集来解释解决方案的其余部分。我们用零结束了。我们有一个完整的循环+1=>-2=>-1=>+2=>+1。现在让我们构建从+3开始的循环。

    +3 => -4 => -3 => +4 => +3

出现的问题是+4不能表示为3位整数。我们可以通过将-3减为+3来获得+4,这仍然是一个有效的3位整数,但然后将1加上+3(二进制011)得到100个二进制。它被解释为无符号整数,它是+4,但我们必须将它解释为有符号整数-4。因此实际上,本例中的-4或一般情况下的Int.MinValue是整数算术否定的第二个不动点-0和Int.MinValue映射到它们自己。所以循环实际上如下。

    +3 =>    -4 => -3 => -4 => -3

这是一个长度为2的循环,另外+3通过-4进入循环。因此,-4在两个函数应用程序之后正确映射到自身,+3在两个功能应用程序之后被正确映射到-3,但-3在两个应用程序之后错误映射到自身。

所以我们构造了一个函数,它适用于除1以外的所有整数。我们能做得更好吗?不,我们不能。为什么?我们必须构造长度为4的循环,并且能够覆盖多达四个值的整个整数范围。剩下的值是必须映射到自身的两个固定点0和Int.MinValue,以及必须由两个函数应用程序相互映射的两个任意整数x和-x。

为了将x映射到-x,反之亦然,它们必须形成一个四循环,并且必须位于该循环的相对角。因此,0和Int.MinValue也必须位于相反的角落。这将正确映射x和-x,但在两个函数应用程序之后交换两个固定点0和Int.MinValue,并留下两个失败的输入。因此,不可能构造一个适用于所有值的函数,但我们有一个适用所有值(除了一个值)的函数,这是我们所能达到的最佳效果。

Scala中使用隐式转换的一个奇怪且唯一稍微聪明的解决方案:

sealed trait IntWrapper {
  val n: Int
}

case class First(n: Int) extends IntWrapper
case class Second(n: Int) extends IntWrapper
case class Last(n: Int) extends IntWrapper

implicit def int2wrapper(n: Int) = First(n)
implicit def wrapper2int(w: IntWrapper) = w.n

def f(n: IntWrapper) = n match {
  case First(x) => Second(x)
  case Second(x) => Last(-x)
}

我认为这不是一个很好的主意。

怎么样

int f(int n)
{
    return -abs(n);
}

JavaScript单行:

function f(n) { return ((f.f = !f.f) * 2 - 1) * n; }