分割圆的最少切割次数

标签: 几何 数学

难度: Easy

圆内一个 有效切割 ,符合以下二者之一:

  • 该切割是两个端点在圆上的线段,且该线段经过圆心。
  • 该切割是一端在圆心另一端在圆上的线段。

一些有效和无效的切割如下图所示。

给你一个整数 n ,请你返回将圆切割成相等的 n 等分的 最少 切割次数。

示例 1:

输入:n = 4
输出:2
解释:
上图展示了切割圆 2 次,得到四等分。

示例 2:

输入:n = 3
输出:3
解释:
最少需要切割 3 次,将圆切成三等分。
少于 3 次切割无法将圆切成大小相等面积相同的 3 等分。
同时可以观察到,第一次切割无法将圆切割开。

提示:

  • 1 <= n <= 100

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class Solution:
    def numberOfCuts(self, n: int) -> int:
        if n == 1:
            return 0
        return n if n & 1 else n // 2

Explain

题解的核心思路是基于圆的切割方式和需要的等分数。这里有两种主要的切割方式:经过圆心的直径切割和单侧经过圆心的半径切割。当需要将圆切割成偶数等分时,可以通过一半数量的直径切割来完成,因为每个直径切割将圆切成两部分。如果是奇数等分,则每部分必须单独进行切割,因此需要的切割次数等于等分数 n。根据题目条件,我们可以得出对于 n = 1 不需要切割,对于偶数最少需要 n/2 次切割,对于奇数则是 n 次。

时间复杂度: O(1)

空间复杂度: O(1)

class Solution:
    def numberOfCuts(self, n: int) -> int:
        # 如果 n 等于 1,则不需要切割
        if n == 1:
            return 0
        # 如果 n 是奇数,需要 n 次切割
        # 如果 n 是偶数,需要 n/2 次切割
        return n if n & 1 else n // 2

Explore

当`n`为奇数时,圆被切割成奇数个相等部分,无法通过一个直径完全对称地将圆分成两个相等的部分,因为直径切割总是创建两个完全对称的半圆。因此,无法通过少于`n`次的切割达到奇数等分的目标。每个部分都需要单独切割,不可能通过将圆分成两个或多个相等的部分来减少切割次数。

在某些编程语言和系统中,位操作(如`n & 1`)可能比模运算(如`n % 2`)更高效。`n & 1`操作直接检查数字最低位的值,如果是1则为奇数,如果是0则为偶数,这通常可以更直接且快速地执行。虽然在现代编译器和处理器上,这两种方法的性能差异可能不大,但在需要高度优化的场景下,位操作可能提供微小的性能优势。

对于偶数等分,通过`n/2`次直径切割确实可以有效地将圆分成`n`个相等部分,因为每次直径切割都将圆分成两个相等的半圆。在所有偶数`n`的情况下,这种策略都是有效的,并且是最优的策略,因为每次切割都利用了圆的对称性来最大化分割效率。目前没有已知的更优策略,因为任何少于`n/2`次的切割都无法实现偶数等分。