算法-計算階乘n!末尾0的個數

算法邏輯轉載自計算階乘n!末尾0的個數


問題描述
    給定參數n(n爲正整數),請計算n的階乘n!末尾所含有“0”的個數。
    例如,5!=120,其末尾所含有的“0”的個數爲1;10!= 3628800,其末尾所含有的“0”的個數爲2;20!= 2432902008176640000,其末尾所含有的“0”的個數爲4。

計算公式
    這裏先給出其計算公式,後面給出推導過程。
    令f(x)表示正整數x末尾所含有的“0”的個數,則有:
      當0 < n < 5時,f(n!) = 0;
      當n >= 5時,f(n!) = k + f(k!), 其中 k = n / 5(取整)。


問題分析
    顯然,對於階乘這個大數,我們不可能將其結果計算出來,再統計其末尾所含有的“0”的個數。所以必須從其數字特徵進行分析。下面我們從因式分解的角度切入分析。

    我們先考慮一般的情形。對於任意一個正整數,若對其進行因式分解,那麼其末尾的“0”必可以分解爲2*5。在這裏,每一個“0”必然和一個因子“5”相對應。但請注意,一個數的因式分解中因子“5”不一定對應着一個“0”,因爲還需要一個因子“2”,才能實現其一一對應。

    我們再回到原先的問題。這裏先給出一個結論:
    結論1: 對於n的階乘n!,其因式分解中,如果存在一個因子“5”,那麼它必然對應着n!末尾的一個“0”。
    下面對這個結論進行證明:
    (1)當n < 5時, 結論顯然成立。
    (2)當n >= 5時,令n!= [5k * 5(k-1) * ... * 10 * 5] * a,其中 n = 5k + r (0 <= r <= 4),a是一個不含因子“5”的整數。
    對於序列5k, 5(k-1), ..., 10, 5中每一個數5i(1 <= i <= k),都含有因子“5”,並且在區間(5(i-1),5i)(1 <= i <= k)內存在偶數,也就是說,a中存在一個因子“2”與5i相對應。即,這裏的k個因子“5”與n!末尾的k個“0”一一對應。
    我們進一步把n!表示爲:n!= 5^k * k! * a(公式1),其中5^k表示5的k次方。很容易利用(1)和迭代法,得出結論1。
    
    上面證明了n的階乘n!末尾的“0”與n!的因式分解中的因子“5”是一一對應的。也就是說,計算n的階乘n!末尾的“0”的個數,可以轉換爲計算其因式分解中“5”的個數。

    令f(x)表示正整數x末尾所含有的“0”的個數, g(x)表示正整數x的因式分解中因子“5”的個數,則利用上面的的結論1和公式1有:
       f(n!) = g(n!) = g(5^k * k! * a) = k + g(k!) = k + f(k!)
所以,最終的計算公式爲:
    當0 < n < 5時,f(n!) = 0;
    當n >= 5時,f(n!) = k + f(k!), 其中 k = n / 5(取整)。

計算舉例
   f(5!) = 1 + f(1!) = 1
   f(10!) = 2 + f(2!) = 2
   f(20!) = 4 + f(4!) = 4
   f(100!) = 20 + f(20!) = 20 + 4 + f(4!) = 24
   f(1000!) = 200 + f(200!) = 200 + 40 + f(40!) = 240 + 8 + f(8!) = 248 + 1 + f(1) =249



java代碼實現:

package com.java.algorithm.test;

import org.junit.Test;

public class NFactZeroTest {
    @Test
    public void testNFactZero(){
        int  N=100;
        int num0=get0Num(N);
        System.out.println(N+"! has 0 in the end:"+num0);
    }

    public int get0Num(int nFact){
        int num0=0;
        if(nFact>0 && nFact<5){
            num0=0;
        }else if(nFact>=5){
            int times=nFact/5;
            num0=times+this.get0Num(times);
        }
        return num0;
    }
}


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