一个平方金字塔数是指自然数的平方之和。自然数包括从1到无穷大的所有数字。例如，前4个平方金字塔数分别为1、5、14、30。

为了更好地理解，考虑以下事实：如果我们以一开始的平方金字塔数为基础，将数字球堆叠在降序中，它们会形成一个金字塔。

问题陈述

给定一个数Sum。如果Sum是前n个自然数的平方和，返回n，否则返回false。

Example 1

示例 1

Input = 30
Output = 4

Explanation = 30是前4个自然数的平方和。

1*1 + 2*2 + 3*3 +4*4 = 30.

因此，输出应该是4。

Example 2

Input = 54
Output = -1

Explanation = 没有任何n个自然数的平方和等于54。因此，输出应该是-1。

问题陈述的解决方案

这个问题有两个解决方案。

方法一：暴力解法

暴力破解方法是从n = 1开始。创建一个变量'total'，将下一个自然数的平方加到total的前一个值上。如果total等于Sum，则返回n，否则，如果total大于Sum，则返回false。

伪代码

start
n =1 
While (total < sum ):
   Total += n*n
   n=n+1
if(total == sum) : 
   Return n
Else:
   Return false
end

Example

下面是一个C++程序，用于检查给定的数字是否是自然数的平方数之和。

#include <iostream>
using namespace std;
// This function returns n if the sum of squares of first 
// n natural numbers is equal to the given sum
// Else it returns -1
int square_pyramidal_number(int sum) {
   // initialize total
   int total = 0;
   // Return -1 if Sum is <= 0
   if(sum <= 0){
      return -1;
   }
   
   // Adding squares of the numbers starting from 1
   int n = 0;
   while ( total < sum){
      n++;
      total += n * n;
   }
   
   // If total becomes equal to sum return n
   if (total == sum)
   return n;
   
   return -1;
}
int main(){
   int S = 30;
   int n = square_pyramidal_number(S);
   cout<< "Number of Square Pyramidal Numbers whose sum is 30: "<< endl;
   (n) ? cout << n : cout << "-1";
   return 0;
}

输出

Number of Square Pyramidal Numbers whose sum is 30: 
4

时间复杂度 - O(sum)，其中sum是给定的输入。

空间复杂度 - O(1)：没有使用额外的空间。

使用牛顿拉弗森方法的方法2

另一种方法是牛顿拉夫逊法。 牛顿拉夫逊法 用于找到给定函数 f(x) 的根和一个根的初始猜测。

sum of squares of first n natural numbers = n * (n + 1) * (2*n + 1) / 6, 

n * (n + 1) * (2*n + 1) / 6 = sum or 

k * (k + 1) * (2*k + 1) – 6*sum = 0

所以n是这个三次方程的根，可以使用牛顿-拉弗森方法来计算，该方法涉及从初始猜测值x0开始，使用下面的公式来找到下一个值x，即从先前的值xn得到的xn+1。

$$mathrm{x_{1}=x_{0}-frac{f(x_{0})}{f^{'}(x_{0})}}$$

伪代码

Start
calculate func(x) and derivativeFunction(x) for given initial x
Compute h: h = func(x) / derivFunc(x)
While h is greater than allowed error ε 
   h = func(x) / derivFunc(x)
   x = x – h
If (x is an integer):
   return x
Else:
   return -1;
end

Example

下面是一个C++程序，用于检查一个给定的数字是否是自然数的平方和。

#include<bits/stdc++.h>
#define EPSILON 0.001
using namespace std;
// According to Newton Raphson Method The function is
// k * (k + 1) * (2*k + 1) – 6*sum or 2*k*k*k + 3*k*k + k - 6*sum                  
double func(double k, int sum){
   return 2*k*k*k + 3*k*k + k - 6*sum;
}
// Derivative of the above function is 6*k*k + 6*k + 1
double derivativeFunction(double k){
   return 6*k*k + 6*k + 1;
}
// Function to check if double is an integer or not
bool isInteger(double N){
   int X = N;
   double temp2 = N - X;
   if (temp2*10 >=1 ) {
      return false;
   }
   return true;
}
// Function that finds the root of k * (k + 1) * (2*k + 1) – 6*sum
int newtonRaphson(double k, int sum){
   double h = func(k, sum) / derivativeFunction(k);
   while (abs(h) >= EPSILON){
      h = func(k, sum)/derivativeFunction(k);
      // k(i+1) = k(i) - f(k) / f'(k)
      k = k - h;
   }
   if (isInteger(k)) {
      return (int)k;
   }
   else {
      return -1;
   }
}
// Driver program
int main(){
   double x0 = 1; // Initial values assumed
   int sum = 91;
   int n = newtonRaphson(x0,sum);
   cout<< "Number of Square Pyramidal Numbers whose sum is 91: "<< endl;
   (n) ? cout << n : cout << "-1";
   return 0;
}

输出

Number of Square Pyramidal Numbers whose sum is 91: 
6

Time Complexity - O((log n) F(n)) where F(n) is the cost of calculating f(x)/f'(x), with n-digit precision.

空间复杂度 - O(1)：没有使用额外的空间。

结论

本文解决了找到给定和的平方金字塔数的问题。我们介绍了两种方法：一种是蛮力方法，另一种是高效方法。这两种方法都提供了C++程序。