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

一个C++版本,可能会稍微改变规则,但适用于所有数值类型(浮点、整型、双精度),甚至是重载一元负号的类类型:

template <class T>
struct f_result
{
  T value;
};

template <class T>
f_result <T> f (T n)
{
  f_result <T> result = {n};
  return result;
}

template <class T>
T f (f_result <T> n)
{
  return -n.value;
}

void main (void)
{
  int n = 45;
  cout << "f(f(" << n << ")) = " << f(f(n)) << endl;
  float p = 3.14f;
  cout << "f(f(" << p << ")) = " << f(f(p)) << endl;
}

其他回答

将n转换为符号和幅度表示;添加范围的1/4;转换回。


    #define STYPE int
    STYPE sign_bit = (unsigned STYPE) 1 << ( sizeof ( STYPE ) * 8  - 1 );
    STYPE f ( STYPE f )
    {
        unsigned STYPE smf = f > 0 ? f : -f | sign_bit;
        smf += sign_bit >> 1;
        return smf & sign_bit ? -( smf & ~sign_bit ) : smf;
    }

这适用于1073741823至1073741822范围:

int F(int n)
{
    if(n < 0)
    {
        if(n > -1073741824)
            n = -1073741824 + n;
        else n = -(n + 1073741824);
    }
    else
    {
        if(n < 1073741823)
            n = 1073741823 + n;
        else n = -(n - 1073741823);
    }
    return n;
}

它的工作原理是获取32位有符号整数的可用范围并将其一分为二。函数的第一次迭代将n自身置于该范围之外。第二次迭代检查它是否在该范围之外-如果是,则将其放回该范围内,但使其为负值。

这实际上是一种保留关于值n的额外“位”信息的方法。

这是rossfabricant答案的C实现。注意,由于我始终使用32位整数,f(f(2147483647))==2147483648,而不是-2147483647。

int32_t f( int32_t n )
{
    if( n == 0 ) return 0;
    switch( n & 0x80000001 ) {
        case 0x00000000:
            return -1 * ( n - 1 );
        case 0x00000001:
            return n + 1;
        case 0x80000000:
            return -1 * ( n + 1 );
        default:
            return n - 1;
    }
}

如果您将问题定义为允许f()接受并返回int64_t,则会涉及2147483647。当然,switch语句中使用的文字必须更改。

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。

一个C++版本,可能会稍微改变规则,但适用于所有数值类型(浮点、整型、双精度),甚至是重载一元负号的类类型:

template <class T>
struct f_result
{
  T value;
};

template <class T>
f_result <T> f (T n)
{
  f_result <T> result = {n};
  return result;
}

template <class T>
T f (f_result <T> n)
{
  return -n.value;
}

void main (void)
{
  int n = 45;
  cout << "f(f(" << n << ")) = " << f(f(n)) << endl;
  float p = 3.14f;
  cout << "f(f(" << p << ")) = " << f(f(p)) << endl;
}