格雷码解法的数学原理
1. 格雷码的本质特性
格雷码(Gray Code)是一种二进制编码系统,其中任意两个相邻数的二进制表示仅有一位不同。这个特性与本题要求的"每次只能翻转一个比特位"的操作限制完全匹配,因此n到0的最少位操作次数恰好等于n的格雷码值。
2. 核心数学公式
n的格雷码值计算公式为:
G(n) = n ⊕ (n >> 1)
(⊕表示异或运算,>>表示右移操作)
3. 算法实现逻辑
python
def minimumOneBitOperations(n: int) -> int:
result = 0
while n > 0:
result ^= n # 累积异或结果
n >>= 1 # 右移消除最低位
return result
4. 运算过程解析(以n=9为例)
- 二进制表示:9 = 1001₂
- 步骤1:result = 0 ⊕ 1001 = 1001(9),n变为100(4)
- 步骤2:result = 1001 ⊕ 100 = 1101(13),n变为10(2)
- 步骤3:result = 1101 ⊕ 10 = 1111(15),n变为1(1)
- 步骤4:result = 1111 ⊕ 1 = 1110(14),n变为0
- 最终结果:14(与预期一致)
5. 几何意义
可以将二进制数视为n维超立方体的顶点,每次位翻转相当于在立方体的边上移动。格雷码对应着一条遍历所有顶点的哈密顿路径,而算法计算的正是从n点到原点的最短路径长度。