计算机中的数学【水仙花数】求解自然数中所有的水仙花数
时间:2022-06-07
本文章向大家介绍计算机中的数学【水仙花数】求解自然数中所有的水仙花数，主要内容包括其使用实例、应用技巧、基本知识点总结和需要注意事项，具有一定的参考价值，需要的朋友可以参考一下。
在数论中，水仙花数（Narcissistic number），也被称为超完全数字不变数（pluperfect digital invariant, PPDI）、自恋数、自幂数、阿姆斯壮数或阿姆斯特朗数（Armstrong number），用来描述一个N位非负整数，其各位数字的N次方和等于该数本身。
水仙花数只是自幂数的一种，严格来说3位数的3次幂数才称为水仙花数。 附：其他位数的自幂数名字 一位自幂数：独身数 两位自幂数：没有 三位自幂数：水仙花数 四位自幂数：四叶玫瑰数 五位自幂数：五角星数 六位自幂数：六合数 七位自幂数：北斗七星数 八位自幂数：八仙数 九位自幂数：九九重阳数 十位自幂数：十全十美数
可以证明：
当 n > 60 的时候，有
也就是说，n 位水仙花数最小的数字是10^(n-1) , 例如，3位水仙花数最小是10^2 = 100, 这个是个，n 位最小的数都大于各个位上的数字的 n 幂次和最大值： n * 9^n 。
最大的水仙花数有39位。十进制自然数中的所有水仙花数共有88个。
image.png
使用 Kotlin 编程来计算自然数中所有的水仙花数。
完整代码如下：
package com.easykotlin.lectures.kfp.math
import java.math.BigInteger
class NarcissisticNumbers {
val TEN = BigInteger.TEN
/**
*
* 获取一个 n 位数 N 的各个位上的数字，放到一个 List 中：
* N=153, digits=[1,5,3]
*/
fun digits(N: BigInteger, n: Int): ArrayList<Int> {
var M = N
var digits = arrayListOf<Int>()
(1..n).forEach {
val remainder = M.mod(TEN)
digits.add(remainder.intValueExact())
M = M.divide(TEN)
}
digits.reverse()
return digits
}
/**
* 数字 0-9 的 n次幂
* 0, 1, 2^n, 3^n,...,9^n
*/
fun zero2NinePower(n: Int): List<BigInteger> {
var result = arrayListOf<BigInteger>()
result.add(BigInteger.ZERO)
result.add(BigInteger.ONE)
(2..9).forEach {
result.add(BigInteger.valueOf(it.toLong()).pow(n))
}
return result
}
fun checkOut(n: Int) {
var N_ = BigInteger.ZERO
val zero2NinePowers = zero2NinePower(n)
// d0 表示0出现次数，d1 表示1出现次数。例如： 数字153，有 d0=1,d1=1,d2=0,d3=1,d4=0,d5=1,...
for (d0 in 0L..(n - 1)) {
for (d1 in 0L..(n - d0)) {
for (d2 in 0L..(n - d0 - d1)) {
for (d3 in 0L..(n - d0 - d1 - d2)) {
for (d4 in 0L..(n - d0 - d1 - d2 - d3)) {
for (d5 in 0L..(n - d0 - d1 - d2 - d3 - d4)) {
for (d6 in 0L..(n - d0 - d1 - d2 - d3 - d4 - d5)) {
for (d7 in 0L..(n - d0 - d1 - d2 - d3 - d4 - d5 - d6)) {
for (d8 in 0L..(n - d0 - d1 - d2 - d3 - d4 - d5 - d6 - d7)) {
for (d9 in 0L..(n - d0 - d1 - d2 - d3 - d4 - d5 - d6 - d7 - d8)) {
N_ = zero2NinePowers[0].multiply(BigInteger.valueOf(d0)) +
zero2NinePowers[1].multiply(BigInteger.valueOf(d1)) +
zero2NinePowers[2].multiply(BigInteger.valueOf(d2)) +
zero2NinePowers[3].multiply(BigInteger.valueOf(d3)) +
zero2NinePowers[4].multiply(BigInteger.valueOf(d4)) +
zero2NinePowers[5].multiply(BigInteger.valueOf(d5)) +
zero2NinePowers[6].multiply(BigInteger.valueOf(d6)) +
zero2NinePowers[7].multiply(BigInteger.valueOf(d7)) +
zero2NinePowers[8].multiply(BigInteger.valueOf(d8)) +
zero2NinePowers[9].multiply(BigInteger.valueOf(d9))
doCheck(N_, d0, d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7, d8, d9, n)
}
}
}
}
}
}
}
}
}
}
}
private fun doCheck(N_: BigInteger, d0: Long, d1: Long, d2: Long, d3: Long, d4: Long, d5: Long, d6: Long, d7: Long, d8: Long, d9: Long, n: Int) {
// 数字 N_ 每位上的数字，例如： N_ = 153， digitCounts = [1,5,3]
val digitCounts = digits(N_, n)
// 统计 digitCounts 中 0-9 分别出现的次数
val d_ = arrayListOf(0L, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0)
digitCounts.forEach {
when (it) {
0 -> d_[0]++
1 -> d_[1]++
2 -> d_[2]++
3 -> d_[3]++
4 -> d_[4]++
5 -> d_[5]++
6 -> d_[6]++
7 -> d_[7]++
8 -> d_[8]++
9 -> d_[9]++
}
}
var sum = 0
d_.forEach { sum += it.toInt() }
if (d0 == d_[0] &&
d1 == d_[1] &&
d2 == d_[2] &&
d3 == d_[3] &&
d4 == d_[4] &&
d5 == d_[5] &&
d6 == d_[6] &&
d7 == d_[7] &&
d8 == d_[8] &&
d9 == d_[9] &&
sum == n && validateBitWidth(N_, n)) { // 完全数字不变数
println("${N_}")
// println("d_ = ${d_}")
// println("digitCounts = ${digitCounts}")
}
}
/** 过滤掉，N 首位是 0 的情况：
* 类似 : 5 位数：
这样的数称为完全数字不变数（perfect digital invariant）
N_ = 4151
d_ = [1, 2, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0]
digitCounts = [0, 4, 1, 5, 1]
5 位数：
N_ = 4150
d_ = [2, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0]
digitCounts = [0, 4, 1, 5, 0]
5 位数：
N_ = 1
d_ = [4, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
digitCounts = [0, 0, 0, 0, 1]
*/
fun validateBitWidth(N_: BigInteger, n: Int): Boolean {
var count = 0
var N = N_
while (N > BigInteger.ZERO) {
N = N.divide(BigInteger.TEN)
count++
}
// println("count=$count")
return n == count
}
}执行入口函数
@Test
fun test_checkOut() {
(1..39).forEach {
println("-----------------------------")
println("$it 位水仙花数：")
val s = System.currentTimeMillis()
NarcissisticNumbers.checkOut(it)
val t = System.currentTimeMillis()
println("时间：${t - s} ms")
}
}运行结果：
-----------------------------
1 位水仙花数：
9
8
7
6
5
4
3
2
1
时间：42 ms
-----------------------------
2 位水仙花数：
时间：8 ms
-----------------------------
3 位水仙花数：
371
153
407
370
时间：21 ms
-----------------------------
4 位水仙花数：
9474
1634
8208
时间：45 ms
-----------------------------
5 位水仙花数：
54748
92727
93084
时间：35 ms
-----------------------------
6 位水仙花数：
548834
时间：190 ms
-----------------------------
7 位水仙花数：
9926315
1741725
4210818
9800817
时间：142 ms
-----------------------------
8 位水仙花数：
88593477
24678051
24678050
时间：415 ms
-----------------------------
9 位水仙花数：
534494836
472335975
912985153
146511208
时间：468 ms
-----------------------------
10 位水仙花数：
4679307774
时间：1428 ms
-----------------------------
11 位水仙花数：
82693916578
44708635679
94204591914
32164049651
49388550606
42678290603
40028394225
32164049650
时间：1374 ms
-----------------------------
12 位水仙花数：
时间：2187 ms
-----------------------------
13 位水仙花数：
时间：4884 ms
-----------------------------
14 位水仙花数：
28116440335967
时间：8053 ms
-----------------------------
15 位水仙花数：
时间：14886 ms
-----------------------------
16 位水仙花数：
4338281769391371
4338281769391370
时间：24496 ms
-----------------------------
17 位水仙花数：
35641594208964132
21897142587612075
35875699062250035
时间：40413 ms
-----------------------------
18 位水仙花数：
时间：70124 ms
-----------------------------
19 位水仙花数：
4498128791164624869
4929273885928088826
3289582984443187032
1517841543307505039
时间：93881 ms
-----------------------------
20 位水仙花数：
63105425988599693916
时间：159871 ms
-----------------------------
21 位水仙花数：
128468643043731391252
449177399146038697307
时间：244321 ms
-----------------------------
22 位水仙花数：
时间：395756 ms
-----------------------------
23 位水仙花数：
21887696841122916288858
28361281321319229463398
27879694893054074471405
35452590104031691935943
27907865009977052567814
时间：612641 ms
-----------------------------
24 位水仙花数：
188451485447897896036875
239313664430041569350093
174088005938065293023722
时间：888945 ms
-----------------------------
25 位水仙花数：
...使用一台普通的 PC 机器（单机、单线程）：
可以看出—— 前15位水仙花数，在 10 s 时间量级； 21位水仙花数，时间 4 min 。 22位数字中没有水仙花数。花费 5min。 23位水仙花数，时间 10 min 。 24位水仙花数，时间 15 min 。 ...... 后面的位数越大，时间将会翻倍。不过，终归会在有限的天数内完成计算。
当然，现代超大规模、并行计算机算起来会快很多。 上面的算法也有进一步优化的空间。
算法代码中的函数说明如下：
zero2NinePower() 函数：
@Test
fun test_zero2NinePower() {
println(NarcissisticNumbers.zero2NinePower(3))
println(NarcissisticNumbers.zero2NinePower(4))
println(NarcissisticNumbers.zero2NinePower(21))
}输出：
[0, 1, 8, 27, 64, 125, 216, 343, 512, 729]
[0, 1, 16, 81, 256, 625, 1296, 2401, 4096, 6561]
[0, 1, 2097152, 10460353203, 4398046511104, 476837158203125, 21936950640377856, 558545864083284007, 9223372036854775808, 109418989131512359209]digits() 函数
@Test
fun test_digits() {
println(NarcissisticNumbers.digits(BigInteger.valueOf(153), 3))
println(NarcissisticNumbers.digits(BigInteger.valueOf(1634), 4))
println(NarcissisticNumbers.digits(BigInteger.valueOf(4150), 4))
}输出：
[1, 5, 3]
[1, 6, 3, 4]
[4, 1, 5, 0]提示： 完整的工程源代码 https://github.com/EasyKotlin/lectures
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