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Hanoi Tower 汉诺塔问题

2012-05-21 18:51 197 查看
HanoiTower汉诺塔问题
汉诺(Hanoi)塔问题:古代有一个梵塔,塔内有三个座A、B、C,A座上有64个盘子,盘子大小不等,大的在下,小的在上(如图)。有一个和尚想把这64个盘子从A座移到B座,但每次只能允许移动一个盘子,并且在移动过程中,3个座上的盘子始终保持大盘在下,小盘在上。在移动过程中可以利用B座,要求打印移动的步骤。



其实算法非常简单,当盘子的个数为n时,移动的次数应等于2^n–1(有兴趣的可以自己证明试试看)。后来一位美国学者发现一种出人意料的简单方法,只要轮流进行两步操作就可以了。首先把三根柱子按顺序排成品字型,把所有的圆盘按从大到小的顺序放在柱子A上,根据圆盘的数量确定柱子的排放顺序:若n为偶数,按顺时针方向依次摆放ABC;
若n为奇数,按顺时针方向依次摆放ACB。
(1)按顺时针方向把圆盘1从现在的柱子移动到下一根柱子,即当n为偶数时,若圆盘1在柱子A,则把它移动到B;若圆盘1在柱子B,则把它移动到C;若圆盘1在柱子C,则把它移动到A。
(2)接着,把另外两根柱子上可以移动的圆盘移动到新的柱子上。即把非空柱子上的圆盘移动到空柱子上,当两根柱子都非空时,移动较小的圆盘。这一步没有明确规定移动哪个圆盘,你可能以为会有多种可能性,其实不然,可实施的行动是唯一的。
(3)反复进行(1)(2)操作,最后就能按规定完成汉诺塔的移动。
所以结果非常简单,就是按照移动规则向一个方向移动金片:
如3阶汉诺塔的移动:A→C,A→B,C→B,A→C,B→A,B→C,A→C
汉诺塔问题也是程序设计中的经典递归问题,下面我们将给出递归和非递归的不同实现源代码。

(一)算法次数:
H(1)=1,只有一个盘子时只需移一次。
H(n)=2*H(n-1)+1=2*2*(H(n-2))+2+1=2^k*H(n-k)+2^(k-1)+...+2+1
当k=n-1时
H(n)=2^(n-1)+2^(n-2)+...+2+1

然后求简化的式子,根据如下:
设S=2^0+2^1+2^2+……+2^n
则2S=2^1+2^2+……+2^(n+1)
所以S=2S-S=(2^1+2^2+……+2^(n+1))-(2^0+2^1+2^2+……+2^n)=2^(n+1)-2^0=2^(n+1)-1
也就是说:
H(n)=2^n-1

(二)递归算法:
以前老师是这样解释:大和尚只移最后一个小盘子,让二和尚移好其他的盘子;然后二和尚也只移一个盘子,让三和尚移好其他盘子,如此类推,每往下一个和尚,问题的规模都变小,到最后的小和尚只需移一个盘子即可。
参考别人的思路:
这个问题在盘子比较多的情况下,很难直接写出移动步骤。我们可以先分析盘子比较少的情况。假定盘子从大向小依次为:盘子1,盘子2,...,盘子64。

如果只有一个盘子,则不需要利用B座,直接将盘子从A移动到C。
如果有2个盘子,可以先将盘子1上的盘子2移动到B;将盘子1移动到c;将盘子2移动到c。这说明了:可以借助B将2个盘子从A移动到C,当然,也可以借助C将2个盘子从A移动到B。
如果有3个盘子,那么根据2个盘子的结论,可以借助c将盘子1上的两个盘子从A移动到B;将盘子1从A移动到C,A变成空座;借助A座,将B上的两个盘子移动到C。这说明:可以借助一个空座,将3个盘子从一个座移动到另一个。
如果有4个盘子,那么首先借助空座C,将盘子1上的三个盘子从A移动到B;将盘子1移动到C,A变成空座;借助空座A,将B座上的三个盘子移动到C。
上述的思路可以一直扩展到64个盘子的情况:可以借助空座C将盘子1上的63个盘子从A移动到B;将盘子1移动到C,A变成空座;借助空座A,将B座上的63个盘子移动到C。
归纳成递归公式,可以写成:

其中,Hanoi函数的第一个参数表示盘子的数量,第二个参数表示源座,第三个参数表示借用的座,第四个参数代表目的座。比如Hanoi(n-1,A,C,B)表示借助C座把n-1个盘子从A座移动到B座。
Move函数的第一个参数表示源座,第二个参数代表目的座。Move函数的功能是将源座最上面的一个盘子移动到目的座上。
根据以上的分析,不难写出程序:

[code]voidMove(charchSour,charchDest)


{


/*打印移动步骤*/


printf("\nMovethetopplateof%cto%c",chSour,chDest);


}


Hanoi(intn,charchA,charchB,charchC)


{


/*检查当前的盘子数量是否为1*/


if(n==1)/*盘子数量为1,打印结果后,不再继续进行递归*/


Move(chA,chC);


else/*盘子数量大于1,继续进行递归过程*/


{


Hanoi(n-1,chA,chC,chB);


Move(chA,chC);


Hanoi(n-1,chB,chA,chC);


}


}


main()


{


intn;


/*输入盘子的数量*/


printf("\nPleaseinputnumberoftheplates:");


scanf("%d",&n);


printf("\nMoving%dplatesfromAtoC:",n);




/*调用函数计算,并打印输出结果*/


Hanoi(n,'A','B','C');


}

[/code]

一般会简化成如下:

[code]#include<stdio.h>


intcount=0;//Thetotalmovement.


voidhanoi(intn,charA,charB,charC)


{


count++;


if(n==1)


{


printf("Movedisk%dfrom%cto%c\n",n,A,C);


}


else


{


hanoi(n-1,A,C,B);


printf("Movedisk%dfrom%cto%c\n",n,A,C);


hanoi(n-1,B,A,C);


}


}


voidmain()


{


intn;


printf("请输入数字n以解决n阶汉诺塔问题:\n");


scanf("%d",&n);


hanoi(n,'A','B','C');


}

[/code]

汉诺塔算法的非递归实现C++源代码:



[code]#include<iostream>


usingnamespacestd;




//圆盘的个数最多为64


constintMAX=64;




//用来表示每根柱子的信息


structst{


ints[MAX];//柱子上的圆盘存储情况


inttop;//栈顶,用来最上面的圆盘


charname;//柱子的名字,可以是A,B,C中的一个


intTop()//取栈顶元素


{


returns[top];


}


intPop()//出栈


{


returns[top--];


}


voidPush(intx)//入栈


{


s[++top]=x;


}


};




longPow(intx,inty);//计算x^y


voidCreat(stta[],intn);//给结构数组设置初值


voidHannuota(stta[],longmax);//移动汉诺塔的主要函数




intmain(void)


{


intn;


cin>>n;//输入圆盘的个数


stta[3];//三根柱子的信息用结构数组存储


Creat(ta,n);//给结构数组设置初值




longmax=Pow(2,n)-1;//动的次数应等于2^n-1


Hannuota(ta,max);//移动汉诺塔的主要函数




system("pause");


return0;


}




voidCreat(stta[],intn)


{


ta[0].name='A';


ta[0].top=n-1;


//把所有的圆盘按从大到小的顺序放在柱子A上


for(inti=0;i<n;i++)


ta[0].s[i]=n-i;


//柱子B,C上开始没有没有圆盘


ta[1].top=ta[2].top=0;


for(inti=0;i<n;i++)


ta[1].s[i]=ta[2].s[i]=0;


//若n为偶数,按顺时针方向依次摆放ABC


if(n%2==0)


{


ta[1].name='B';


ta[2].name='C';


}


else//若n为奇数,按顺时针方向依次摆放ACB


{


ta[1].name='C';


ta[2].name='B';


}


}




longPow(intx,inty)


{


longsum=1;


for(inti=0;i<y;i++)


sum*=x;




returnsum;


}




voidHannuota(stta[],longmax)


{


intk=0;//累计移动的次数


inti=0;


intch;


while(k<max)


{


//按顺时针方向把圆盘1从现在的柱子移动到下一根柱子


ch=ta[i%3].Pop();


ta[(i+1)%3].Push(ch);


cout<<++k<<":"<<


"Movedisk"<<ch<<"from"<<ta[i%3].name<<


"to"<<ta[(i+1)%3].name<<endl;


i++;


//把另外两根柱子上可以移动的圆盘移动到新的柱子上


if(k<max)


{


//把非空柱子上的圆盘移动到空柱子上,当两根柱子都为空时,移动较小的圆盘


if(ta[(i+1)%3].Top()==0||


ta[(i-1)%3].Top()>0&&


ta[(i+1)%3].Top()>ta[(i-1)%3].Top())


{


ch=ta[(i-1)%3].Pop();


ta[(i+1)%3].Push(ch);


cout<<++k<<":"<<"Movedisk"


<<ch<<"from"<<ta[(i-1)%3].name


<<"to"<<ta[(i+1)%3].name<<endl;


}


else


{


ch=ta[(i+1)%3].Pop();


ta[(i-1)%3].Push(ch);


cout<<++k<<":"<<"Movedisk"


<<ch<<"from"<<ta[(i+1)%3].name


<<"to"<<ta[(i-1)%3].name<<endl;


}


}


}


}

[/code]
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