(一)汉诺塔介绍
汉诺塔(Hanoi Tower)问题是源于印度一个古老传说:
在世界中心贝拿勒斯(在印度北部)的圣庙里,一块黄铜板上插着三根宝石针。印度教的主神梵天在创造世界的时候,在其中一根针上从下到上地穿好了由大到小的64片金片,这就是所谓的汉诺塔。不论白天黑夜,总有一个僧侣在按照下面的法则移动这些金片:一次只移动一片,不管在哪根针上,小片必须在大片上面。僧侣们预言,当所有的金片都从梵天穿好的那根针上移到另外一根针上时,世界就将在一声霹雳中消灭,而梵塔、庙宇和众生也都将同归于尽。
考虑一下把64片金片,由一根针上移到另一根针上,并且始终保持上小下大的顺序。这需要多少次移动呢?这里需要递归的方法。假设有n片,移动次数是f(n).显然f(1)=1,f(2)=3,f(3)=7,且f(k+1)=2*f(k)+1。此后不难证明f(n)=2^n-1。
n=64时,假如每秒钟移动一次,共需多长时间呢?
2 ^ 64 - 1 = 18446744073709551615秒!
一个平年365天有31536000 秒,闰年366天有31622400秒,平均每年31556952秒。
这表明移完这些金片需要5845.54亿年以上。而地球存在至今不过45亿年,太阳系的预期寿命据说也就是数百亿年。真的过了5845.54亿年,不说太阳系和银河系,至少地球上的一切生命,连同梵塔、庙宇等,都早已经灰飞烟灭!
(二)训练
在纸上画出n = 1, n = 2, n = 3, n = 4时的挪动步骤
(三)算法思想
hanoi.jpg将圆盘编号按从上到下的顺序表示为1,2,3……,n-1,n。
把所有的盘子分成两部分:上面的n-1个,第n个圆盘(即最下面的那个)。
(1)把上面的n-1个圆盘从柱子A移动到柱子B上,这一过程需要借助柱子C。
(2)把第n个圆盘从柱子A移动到柱子C上。这样第n个圆盘就放到了目标位置上。
(3)把上面的n-1个圆盘从柱子B移动到柱子C上,这一过程需要借助柱子A。
这里(1)用到了递归,可以拆分成很多个步骤(1)、(2)、(3),当n为1时递归结束。
同理(3)也用到了递归,可以拆分成很多个步骤(1)、(2)、(3),当n为1时递归结束。
(四)例子
例1:n = 2
要把两个盘子从A挪到C。分成三步:
(1)把上面那个盘子从A挪到B,需要1步
(2)把下面那个盘子从A挪到C,需要1步
(3)把上面那个盘子从B挪到C,需要1步
这样,两个盘子都从A挪到C上面了,任务完成!共需要1 + 1 + 1 = 3步。
例2:n =3
要把三个盘子从A挪到C。分成三大步:
(1)把上面两个盘子从A挪到B,需要3步
(2)把最下面那个盘子从A挪到C,需要1步
(3)把上面两个盘子从B挪到C,需要3步
这样,三个盘子都从A挪到C上面了,任务完成!共需要3 + 1 + 3 = 7步。
例3:n = 4
要把四个盘子从A都挪到C。分成三大步:
(1)把上面三个盘子从A挪到B,需要7步(具体可分为3步+1步+3步;3步又可以分为1步+1步+1步,这就是递归)
(2)把最下面那个盘子从A挪到C,需要1步
(3)把上面三个盘子从B移到C,需要7步
这样,四个盘子都挪到C上面了,任务完成!共需要7 + 1 + 7 = 15步。
例4:n = 5
要把五个盘子从A都挪到C。分成三大步:
(1)把上面四个盘子从A挪到B,需要15步
(2)把最下面那个盘子从A挪到C,需要1步
(3)把上面四个盘子从B移到C,需要15步
这样,五个盘子都挪到C上面了,任务完成!共需要15 + 1 + 15 = 31步。
(五)C语言实现
#include <stdio.h>
void hanoi(int n, char pillar1, char pillar2, char pillar3); // 函数声明
void move(int n, char pillar_from, char pillar_to); // 函数声明
int count; // 全局变量
int main()
{
int n;
// 输入汉诺塔层数(即金片数量)
printf("Please input the layer number of Hanoi Tower: ");
scanf("%d",&n);
// 目的:借助于B,把n个金片从A移动到C
hanoi(n, 'A', 'B', 'C');
return 0;
}
void hanoi(int n, char pillar1, char pillar2, char pillar3)
{
// 递归终止条件
if (n == 1)
{
move(n, pillar1, pillar3);
}
else
{
// 借助于pillar3,把上面的n-1个金片从pillar1移动到pillar2
hanoi(n - 1, pillar1, pillar3, pillar2);
// 把最下面的第n个金片从pillar1移动到pillar3
move(n, pillar1, pillar3);
// 借助于pillar1,把上面的n-1个金片从pillar2移动到pillar3
hanoi(n - 1, pillar2, pillar1, pillar3);
}
}
void move(int n, char pillar_from, char pillar_to)
{
count++; // 统计移动次数
printf("step %d: move layer %d, %c --> %c\n", count, n, pillar_from, pillar_to);
}
运行结果:
Please input the layer number of Hanoi Tower: 1
step 1: move layer 1, A-->C
Please input the layer number of Hanoi Tower: 2
step 1: move layer 1, A-->B
step 2: move layer 2, A-->C
step 3: move layer 1, B-->C
Please input the layer number of Hanoi Tower: 3
step 1: move layer 1, A-->C
step 2: move layer 2, A-->B
step 3: move layer 1, C-->B
step 4: move layer 3, A-->C
step 5: move layer 1, B-->A
step 6: move layer 2, B-->C
step 7: move layer 1, A-->C
说明:include的下面两行,分别是两个函数的声明。
为什么需要函数声明呢?因为编译器读取程序的时候,是从上到下读的,在main()函数中调用了这两个函数。但是编译器在调用的时候还不知道这两个函数是在哪里定义的。所以需要在main()函数的上方进行声明,告诉编译器“有这个东西,稍后会给出定义”。就是提前打招呼的意思。
以前那些课程,为什么都不需要函数声明呢?那是因为以前的所有程序,都把被调用的函数写到了main()函数的上方。编译器先读取被调用的函数,再读取main()函数,调用时已经知道之前有定义过,所以就不需要先声明了。
(六)作业
1 输入n = 3,进行调试
2 默写程序
想了解小朋友学编程可加QQ 307591841 或微信 307591841
关注微信公众号请扫二维码 qrcode_for_kidscode_258.jpg
网友评论