1000桶水中存在两桶毒水,猪中毒15分钟死亡,一小时定位毒水最少需要多少只猪,具体方案解析

已知核心条件:1000桶水里恰好有两桶含有毒水,猪喝下毒水之后,15分钟就会中毒死亡;存活就代表饮用的水无毒。单次检测等待时长为15分钟,一小时最多完成四轮检测,分别在0分钟、15分钟、30分钟、45分钟启动检测,最晚60分钟就可以拿到全部检测结果。我们要用数量最少的猪,通过多轮分组检测,精准找出两桶毒水对应的编号。

科学

先理清基础逻辑,只有一桶毒水的场景,常用二进制编码喂猪的办法,依靠猪存活或者死亡的组合,判断毒水位置。但两桶毒水的情况完全不一样,最终造成猪死亡的组合,是两桶毒水各自致死编码叠加之后的结果,没办法直接套用单桶毒水的编码思路,需要借助多轮分时检测,把叠加在一起的致死信号拆开,区分两组毒水各自独立的编码。

先确认检测轮次上限,一小时四次检测机会,足够完成分层筛查和信号拆分。再结合组合编码的数学逻辑推算最少需要多少猪:单轮n只猪能够产生2ⁿ种状态,两桶毒水会产生两两组合叠加后的状态,多轮分时检测可以解决同状态叠加带来的冲突。经过测算,想要覆盖1000桶范围,区分全部两桶毒水的组合,最少需要10只猪。

整套检测方案分为编码分组、四轮分时投喂、结果溯源拆分三个主要步骤,操作简单,适配15分钟的中毒死亡时效。第一步,给1000桶水统一编号,编号范围1到1000,把每一个编号转换成10位二进制数字,对应10只编号1至10的实验猪。每一个二进制数位对应一只猪,数位数字为1,代表这只猪要喝对应水桶的水样;数字0代表不饮用。

和单桶毒水一次性投喂不一样,两桶毒水会出现信号叠加,所以利用一小时四轮检测的时间窗口,做分层分组投喂。我们把1000个水桶平均分成四组,每组250桶,分别对应四个检测时间节点。0分钟开启第一轮检测,10只猪同时饮用第一组250桶水里对应编码的水样;15分钟开启第二轮检测,投喂第二组水样;30分钟、45分钟依次完成第三、第四组水样投喂。每一轮检测启动之后,等待15分钟观察猪的存活状态,记录每一轮猪的死亡情况。

核心判定原理:单轮检测中,如果出现猪死亡,说明这一组水样里面至少存在一桶毒水。因为总共只有两桶毒水,所以两桶毒水只会落在其中一组,或是分属两个不同检测批次,不会四轮检测全都出现致死信号。如果两桶毒水在同一个分组批次,本轮检测得到叠加致死状态,死亡猪的集合等于两桶毒水编码对应猪集合的并集;如果两桶毒水分属两个不同批次,两个时间节点会各自出现独立的致死猪组合,直接依靠两组编码锁定两桶毒水。

具体溯源拆解分为两种情况处理。第一种是分散场景,两桶毒水分别在两个不同检测批次。这时两个时间节点分别得到两组独立的死亡猪编码,直接反向把两组二进制编码换算成水桶编号,就能精准定位两桶毒水,不存在信号干扰,判定结果百分百准确。

第二种是重叠场景,两桶毒水落在同一个检测批次,本轮检测得到合并后的死亡猪集合。这时依靠10位二进制编码的唯一性,拆分合并后的致死组合。10只猪的编码可以覆盖1024个独立编号,已经超过1000桶的总量。任意两个不同编号水桶,它们编码叠加出来的结果都是唯一的,不会出现多组水桶编码叠加结果一致的情况。比对全部两两水桶编码叠加数据集,匹配本轮观察到的死亡猪组合,就能唯一锁定对应的两桶毒水编号。

从数据容量验证这套方案可行。10只猪能够提供的独立组合容量完全满足需求。10位二进制编码可以覆盖1024个水桶编号,超出1000桶的检测基数。两桶毒水组合产生的叠加状态总量,远小于10只猪配合多轮检测能够区分的状态数量,再加上四轮分时拆分,彻底解决双桶毒水信号叠加难以分辨的难题。

对比更少数量的猪,可以验证这个方案的最优性。9只猪只能产生512个基础编码,覆盖不了1000桶水的编号范围,没法完成基础编码分组。无论怎么分配检测轮次,都会出现大量编号重叠,没办法拆分双桶毒水组合。所以9只以及更少的猪,无法完成本次检测任务,10只是满足条件的最小数量。

整套方案最大优势,就是利用分时多轮检测拆分叠加信号,依靠二进制编码实现批量筛查,在一小时的时间限制内,用最少实验样本,完成1000桶水里两桶毒水的精准定位,兼顾检测效率和样本数量的最优平衡。

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