汉诺塔问题

汉诺塔问题是一个很经典的问题,一般初学递归的时候都会碰到,而本文将试着解决一道汉诺塔问题的变式。

我们知道,汉诺塔问题中,盘子之前大小是不同的,而在变式里,大小为i的盘子将有ai个,对于1<=i<=n , ai>=1。而我们的问题即是,最少通过多少步可以将一根柱上的圆盘,转移到另一根柱子上,并且过程中圆盘上只能有大小不大于它的圆盘,且最后圆盘的顺序和初始一致,即相同的圆盘也要保持和原先一致的顺序。

当然我们仍然会先考虑递归。

记An为将大小为1到n的圆盘,保持原有顺序,转移到另一根柱子上。

为了得到递推式,我们讨论大小为n的圆盘

(1)若大小为n的圆盘只有1个,An = 2*An-1  +  1;

(2)若大小为n的圆盘有an个,我们将看到两种情况 An = 3*An-1 + 2*an; 以及An = 4*An-1 + 2*an - 1

可能你要说了An-1肯定大于等于1,所以前者一定大于后者,目前的确是这样,但在之后,这个讨论将发挥作用,所以到这里你需要找到这两种“方式”。

此时,我们需要再关注一下边界,也就是A1。

显然a1 = 1时,A1 = 1,而 a1 > 1时, A1 = 2*a1 - 1

到这里,你可能觉得做完了,这题不过如此。然而你却突然想到,只是为了把大小为n的圆盘按顺序放过去,移动大小为1到n-1的圆盘时,我为什么每次都要保持原顺序?

是啊,如果按照最原始的汉诺塔的方法,我移动一次大小小于n的圆盘,大小为n-1的圆盘似乎就会逆序,那我做两次最原始的移动,不就又回到了原顺序吗?

诶诶赶快试试。

同样回到An的情况。

(1)若大小为n的圆盘只有1个,An = 2* Un-1 + 1;

这里我们用Un-1来记 不考虑同样大小圆盘的顺序  移动大小为1到n-1的圆盘所需的步数,显然Un-1 <= An-1

让我们仔细看一下做一次Un-1到底发生了什么

为了将大小为1到n-1的圆盘  在无视相同圆盘顺序的条件下  完成一次转移

我们需要将大小为1到n-2的圆盘,先移到另一根柱子,然后将大小为n-1的圆盘移到目标柱子,再将n-2的圆盘移到目标柱子。

很容易发现,做一次Un-1,仅仅是大小为n-1的圆盘改变了顺序。这里值得再次说明的是,Un-1将是移动大小从1到n-1的圆盘的最小步数。

回到我们的An = 2*Un-1 + 1

的确,两次Un-1使得大小为n-1的圆盘恢复原顺序,此时的An是最小的。

(2)若大小为n的圆盘有an > 1个

这里我们回想起了之前讨论的过程。有一种移动四次和一种移动三次的方式。

显然对于移动四次,An = 4*Un-1 + 2*an - 1

而对于移动三次,显然其中一次应为保持n-1的圆盘顺序,其他两次逆序时移动次数最少

即An = 2*Un-1 + An-1 + 2*an

当然An应该取两者中较小的那个。


我们小结一下思路。对于移动大小为1到n的圆盘,我们有两种方式,一种是最原始的也是步数最少的Un,它表现为会将最后一层的圆盘逆序。

而另一种则是将保持最后一层顺序的An。为得到最小步数,我们应对移动的方式进行选择。


最后代码细节不表,值得注意的是循环显然比递归更高效。


(若您发现了任何问题,烦请告知我,谢谢!)




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