格雷码是一个二进制数字系统,其中两个相邻数的二进制位只有一位不同.举个例子,3 位二进制数的格雷码序列为
000,001,011,010,110,111,101,100
注意序列的下标我们以 0 为起点,也就是说 G(0)=000,G(4)=110.
格雷码由贝尔实验室的 Frank Gray 于 1940 年代提出,并于 1953 年获得专利.
构造格雷码(变换)
格雷码的构造方法很多.我们首先介绍手动构造方法,然后会给出构造的代码以及正确性证明.
手动构造
k 位的格雷码可以通过以下方法构造.我们从全 0 格雷码开始,按照下面策略:
- 翻转最低位得到下一个格雷码,(例如 000→001);
- 把最右边的 1 的左边的位翻转得到下一个格雷码,(例如 001→011);
交替按照上述策略生成 2k−1 次,可得到 k 位的格雷码序列.
镜像构造
k 位的格雷码可以从 k−1 位的格雷码以上下镜射后加上新位的方式快速得到,如下图:
k=101→0110→k=200011110→0001111010110100→k=3000001011010110111101100
计算方法
我们观察一下 n 的二进制和 G(n).可以发现,如果 G(n) 的二进制第 i 位为 1,仅当 n 的二进制第 i 位为 1,第 i+1 位为 0 或者第 i 位为 0,第 i+1 位为 1.于是我们可以当成一个异或的运算,即
G(n)=n⊕⌊2n⌋
int g(int n) { return n ^ (n >> 1); }
正确性证明
接下来我们证明一下,按照上述公式生成的格雷码序列,相邻两个格雷码的二进制位有且仅有一位不同.
我们考虑 n 和 n+1 的区别.把 n 加 1,相当于把 n 的二进制下末位的连续的 1 全部变成取反,然后把最低位的 0 变成 1.我们这样表示 n 和 n+1 的二进制位:
(n)2(n+1)2=⋯0k个11⋯11=⋯1k个00⋯00
于是我们在计算 g(n) 和 g(n+1) 的时候,后 k 位都会变成 k个100⋯00 的形式,而第 k+1 位是不同的,因为 n 和 n+1 除了后 k+1 位,其他位都是相同的.因此第 k+1 位要么同时异或 1,要么同时异或 0.两种情况,第 k+1 位都是不同的.而除了后 k+1 位以外的二进制位也是做相同的异或运算,结果是相同的.
证毕.
通过格雷码构造原数(逆变换)
接下来我们考虑格雷码的逆变换,即给你一个格雷码 g,要求你找到原数 n.我们考虑从二进制最高位遍历到最低位(最低位下标为 1,即个位;最高位下标为 k).则 n 的二进制第 i 位与 g 的二进制第 i 位 gi 的关系如下:
nknk−1nk−2nk−3nk−i=gk=gk−1⊕nk=gk−2⊕nk−1=gk−3⊕nk−2⋮=j=0⨁igk−j=gk⊕gk−1=gk⊕gk−1⊕gk−2=gk⊕gk−1⊕gk−2⊕gk−3
int rev_g(int g) {
int n = 0;
for (; g; g >>= 1) n ^= g;
return n;
}
实际应用
格雷码有一些十分有用的应用,有些应用让人意想不到:
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k 位二进制数的格雷码序列可以当作 k 维空间中的一个超立方体(二维里的正方形,一维里的单位向量)顶点的哈密尔顿回路,其中格雷码的每一位代表一个维度的坐标.
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格雷码被用于最小化数字模拟转换器(比如传感器)的信号传输中出现的错误,因为它每次只改变一个位.
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格雷码可以用来解决汉诺塔的问题.
设盘的数量为 n.我们从 n 位全 0 的格雷码 G(0) 开始,依次移向下一个格雷码(G(i) 移向 G(i+1)).当前格雷码的二进制第 i 位表示从小到大第 i 个盘子.
由于每一次只有一个二进制位会改变,因此当第 i 位改变时,我们移动第 i 个盘子.在移动盘子的过程中,除了最小的盘子,其他任意一个盘子在移动的时候,只能有一个放置选择.在移动第一个盘子的时候,我们总是有两个放置选择.于是我们的策略如下:
如果 n 是一个奇数,那么盘子的移动路径为 f→t→r→f→t→r→⋯,其中 f 是最开始的柱子,t 是最终我们把所有盘子放到的柱子,r 是中间的柱子.
如果 n 是偶数:f→r→t→f→r→t→⋯
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格雷码也在遗传算法理论中得到应用.
习题
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CSP S2 2019 D1T1 Difficulty: easy
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SGU #249 Matrix Difficulty: medium
本页面部分内容译自博文 Код Грея 与其英文翻译版 Gray code.其中俄文版版权协议为 Public Domain + Leave a Link;英文版版权协议为 CC-BY-SA 4.0.