Java练习题 · 汉诺塔 · 青蛙跳台阶

本文介绍了如何使用递归算法解决汉诺塔问题和青蛙跳台阶问题。汉诺塔问题中,通过递归将圆盘从起始柱移动到目标柱,遵循每次只能移动一个盘子且大盘子不能在小盘子上方的原则。青蛙跳台阶则是一个斐波那契数列的变形,递归计算不同跳法的数量。

汉诺塔问题(递归解决)

汉诺塔问题是一个经典的问题。
汉诺塔(Hanoi Tower),又称河内塔,源于印度一个古老传说。大梵天创造世界的时候做了三根金刚石柱子,在一根柱子上从下往上按照大小顺序摞着64片黄金圆盘。
大梵天命令婆罗门把圆盘从下面开始按大小顺序重新摆放在另一根柱子上。并且规定,任何时候,在小圆盘上都不能放大圆盘,且在三根柱子之间一次只能移动一个圆盘。问应该如何操作?

代码示例

 //汉诺塔问题
 //用于表示移动操作的方法
 public static void move(char pos1, char pos3){
     System.out.println(pos1 + " -> " + pos3);
 }
 
 /**
 * 使用递归,计算汉诺塔问题
 * @param n	起始柱子的盘子个数
 * @param pos1 起始柱子
 * @param pos2 中转柱子
 * @param pos3 目的地柱子
 */
 public static void hanoiTower(int n, char pos1, char pos2, char pos3){
 	 //只有一个盘子,直接移动即可
     if (n == 1) {
         move(pos1, pos3);
     }else {
         hanoiTower(n-1, pos1, pos3, pos2);
         move(pos1, pos3);
         hanoiTower(n-1, pos2, pos1, pos3);
     }
 }
 
 public static void main(String[] args) {
     hanoiTower(3,'A','B','C');
 }

思路分析(我的思路是递归)

在 hanoiTower 方法中,if 语句表示,如果只有一个盘子,直接从 A 柱子移动到 C 柱子即可.

else 语句表示,不是一个盘子。为了方便写思路,我选择 3 个盘子来举例

else 语句表示,先把 2 个盘子借助 C 柱子,从 A 柱子移动到 B 柱子;
此时 A 柱子还有底下最大的盘子,直接从 A 柱子移动到 C柱子上;
最后把 B 柱子上的 2 个盘子,借助 A 柱子移动到 C 柱子上,over.

在这里插入图片描述

简而言之是,先把 A 柱子上不是最大的盘子,都移动到 B 柱子上;接着把最大盘子往 C 柱子移动;最后把一开始移动到 B 柱子上的盘子,都移动到 C 柱子上即可(不要管小盘子怎么都全移动了,交给递归自己完成).


青蛙跳台阶问题(递归解决)

一只青蛙一次可以跳上 1 级台阶,也可以跳上 2 级。求该青蛙跳上一个 n 级的台阶总共有多少种跳法.

 public static int jumpFloor(int n){
     if (n == 1) {
         return 1;
     }
     if (n == 2) {
         return 2;
     }
     return jumpFloor(n - 1) + jumpFloor(n - 2);
 }
 
 public static void main(String[] args) {
     int num = 5;
     System.out.println(jumpFloor(num));
 }

青蛙跳台阶其实是斐波那契数列的变形

### 汉诺塔问题解决方案 对于汉诺塔问题,当有 \( n \) 个圆盘时,可以通过递归的方式将其分解成较小规模的问题来解决。具体来说: - 如果只有一个圆盘,则直接将这个圆盘从源柱子移动到目标柱子。 - 对于多于一个圆盘的情况,先将上面的 \( n-1 \) 个圆盘借助辅助柱子移动到中间柱子;再把最下面的一个大圆盘移到目标柱子;最后再次利用辅助柱子将之前移走的 \( n-1 \) 个圆盘放到目标柱子上。 以下是 Python 中实现上述逻辑的代码示例[^4]: ```python def hanoi(n, source, auxiliary, target): if n == 1: print(f"Move disk from {source} to {target}&quot;) return hanoi(n - 1, source, target, auxiliary) print(f"Move disk from {source} to {target}&quot;) hanoi(n - 1, auxiliary, source, target) hanoi(3, 'A', 'B', 'C&#39;) ``` 这段程序定义了一个名为 `hanoi` 的函数,接受四个参数:要处理的圆盘数量、起始位置名称、临时放置的位置以及最终目的地的名字。通过调用此函数并传入相应的参数即可模拟整个过程。 ### 青蛙跳台算法实现 针对青蛙跳台这一场景,考虑到每次可以选择跳跃一级或两级台,那么到达第 \( n \) 层的方法数目等于前两层之和。即: \[ f(n)=f(n−1)+f(n−2),\quad 当n>2时 \] 这里给出了两种情况下的初始条件: - 只有一楼梯的情况下只有一种方式; - 若存在两楼梯则有两种不同的路径可选——连续两次单步上升或是直接跨过两个梯。 下面是基于以上分析编写的 python 函数用于计算给定高度下所有的可能路线总数[^2]: ```python def jump_ways(n): if n <= 0: return 0 elif n == 1 or n == 2: return n first = 1 second = 2 for i in range(3, n + 1): current = first + second first = second second = current return second print(jump_ways(5)) ``` 该版本采用迭代而非简单的递归来提高效率,并避免因栈溢出而导致错误的风险。
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