7-5 螺旋方阵

分数 20

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作者 C课程组

单位浙江大学

所谓“螺旋方阵”，是指对任意给定的N，将1到N×N的数字从左上角第1个格子开始，按顺时针螺旋方向顺序填入N×N的方阵里。本题要求构造这样的螺旋方阵。

输入格式：

输入在一行中给出一个正整数N（<10）。

输出格式：

输出N×N的螺旋方阵。每行N个数字，每个数字占3位。

输入样例：

输出样例：

  1  2  3  4  516 17 18 19  615 24 25 20  714 23 22 21  813 12 11 10  9

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我的答案：

分析过程：

螺旋方阵的填充模式为：先向右，然后向下，接着向左，最后向上，循环这四个方向。
向右和向左时，行数保持不变；向下和向上时，列数保持不变。
每完成一个方向的填充后，要缩小填充的范围。
填充完成的条件是已填入的数目等于 N×N。

解题过程：

初始化一个 N×N 的数组 matrix。
初始化当前方向为“向右”，当前行和列为 (0, 0)。
初始化一个计数器 counter 从1开始，每填充一个数字后加1。
根据当前方向进行填充，完成后改变方向。
根据方向，更新行或列的值。
当计数器大于 N×N 时，结束填充。
打印结果。

接下来，我们用 C 和 C++ 语言实现上述算法：

好的，我明白你的疑问。螺旋方阵的填充过程确实有点特殊。当我们沿着一个方向填充时，该方向上可填充的格子数量不是每次都一样的。具体来说，每完成一个循环（四个方向：右、下、左、上），其中的两个方向上可填充的格子数量都会减少一个。

详细分析如下：

1. **向右**：开始时，我们从最左边向右填充，可填充的格子数量是 N。
2. **向下**：当我们完成向右的填充后，开始向下填充，此时可填充的格子数量是 N-1，因为上边的第一行已经被填充。
3. **向左**：接着，我们向左填充，此时可填充的格子数量也是 N-1，因为下边的最后一行也已经被填充。
4. **向上**：最后，当我们向上填充时，可填充的格子数量是 N-2，因为除了第一行外，第二行也已经被填充。

接下来，当我们开始新的循环（第二次的右、下、左、上方向填充），可填充的格子数量会进一步减少。

这是因为在向右或向左填充时，由于上次循环中向下和向上的填充，已经使得上下两行被填充，所以此次循环中向右或向左时的填充格子数量会减少两个。相应地，在向下或向上填充时，由于上次循环中向右和向左的填充，已经使得左右两列被填充，所以此次循环中向下或向上时的填充格子数量会减少两个。

在代码中，我们通过检查每个格子是否已经被填充（即值为0）来决定是否继续当前方向的填充。这样，即使我们的循环设定了 N 次迭代，由于已填充的格子检查，我们可以自然地结束当前方向的填充并转向下一个方向。

C语言：

#include <stdio.h>int main() {int N;scanf("%d", &N);int matrix[N][N];int row = 0, col = 0, num = 1, i;while (num <= N * N) {while (col < N && matrix[row][col] == 0) {matrix[row][col++] = num++;}col--; row++;while (row < N && matrix[row][col] == 0) {matrix[row++][col] = num++;}row--; col--;while (col >= 0 && matrix[row][col] == 0) {matrix[row][col--] = num++;}col++; row--;while (row >= 0 && matrix[row][col] == 0) {matrix[row--][col] = num++;}row++; col++;}for (i = 0; i < N; i++) {for (int j = 0; j < N; j++) {printf("%3d", matrix[i][j]);}printf("\n");}return 0;
}

C++：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {int N;cin >> N;vector<vector<int>> matrix(N, vector<int>(N, 0));int row = 0, col = 0, num = 1;while (num <= N * N) {while (col < N && matrix[row][col] == 0) {matrix[row][col++] = num++;}col--; row++;while (row < N && matrix[row][col] == 0) {matrix[row++][col] = num++;}row--; col--;while (col >= 0 && matrix[row][col] == 0) {matrix[row][col--] = num++;}col++; row--;while (row >= 0 && matrix[row][col] == 0) {matrix[row--][col] = num++;}row++; col++;}for (int i = 0; i < N; i++) {for (int j = 0; j < N; j++) {cout.width(3);cout << matrix[i][j];}cout << endl;}return 0;
}

注意：两种实现都采用了简单的嵌套循环，其中内层循环负责向某一方向填充，外层循环则负责切换方向。

C语言循环体详细解释：

首先，外部的 `while (num <= N * N)` 代表当我们填入的数字没有超过 `N*N` 时，我们就继续填充矩阵。

接下来是四个内部的 while 循环，分别代表向右、向下、向左、向上四个方向的填充。

1. **向右**：
```c
while (col < N && matrix[row][col] == 0) {
matrix[row][col++] = num++;
}
col--; row++;
```
- `col < N` 保证列数没有超出范围。
- `matrix[row][col] == 0` 检查当前格子是否为空（即值为0）。
- `matrix[row][col++] = num++` 将数字填入当前格子，列数加1准备填充下一个格子，填入的数字加1。
- 最后 `col--` 和 `row++` 是调整到下一个方向的起始点。

2. **向下**：
```c
while (row < N && matrix[row][col] == 0) {
matrix[row++][col] = num++;
}
row--; col--;
```
- `row < N` 保证行数没有超出范围。
- `matrix[row][col] == 0` 检查当前格子是否为空。
- `matrix[row++][col] = num++` 将数字填入当前格子，行数加1准备填充下一个格子，填入的数字加1。
- 最后 `row--` 和 `col--` 是调整到下一个方向的起始点。

3. **向左**：
```c
while (col >= 0 && matrix[row][col] == 0) {
matrix[row][col--] = num++;
}
col++; row--;
```
- `col >= 0` 保证列数没有变为负数。
- `matrix[row][col] == 0` 检查当前格子是否为空。
- `matrix[row][col--] = num++` 将数字填入当前格子，列数减1准备填充下一个格子，填入的数字加1。
- 最后 `col++` 和 `row--` 是调整到下一个方向的起始点。

4. **向上**：
```c
while (row >= 0 && matrix[row][col] == 0) {
matrix[row--][col] = num++;
}
row++; col++;
```
- `row >= 0` 保证行数没有变为负数。
- `matrix[row][col] == 0` 检查当前格子是否为空。
- `matrix[row--][col] = num++` 将数字填入当前格子，行数减1准备填充下一个格子，填入的数字加1。
- 最后 `row++` 和 `col++` 是调整到下一个循环开始的起始点。

这四个内部循环结束后，如果整个矩阵还没填满，那么整个外部循环会再次执行，继续从当前位置开始螺旋填充。