算法详解--汉诺塔

From Gossip@caterpillar

Algorithm Gossip: 汉诺塔算法详解

 说明

河内之塔(Towers of Hanoi)是法国人M.Claus(Lucas)于1883年从泰国带至法国的，河内为越战时北越的首都，即现在的胡志明市；1883年法国数学家 Edouard Lucas曾提及这个故事，据说创世纪时Benares有一座波罗教塔，是由三支钻石棒（Pag）所支撑，开始时神在第一根棒上放置64个由上至下依由小 至大排列的金盘（Disc），并命令僧侣将所有的金盘从第一根石棒移至第三根石棒，且搬运过程中遵守大盘子在小盘子之下的原则，若每日仅搬一个盘子，则当 盘子全数搬运完毕之时，此塔将毁损，而也就是世界末日来临之时。

解法

如果柱子标为ABC，要由A搬至C，在只有一个盘子时，就将它直接搬至C，当有两个盘子，就将B当作辅助柱。 

 

 

如果盘数超过2个，将第三个以下的盘子遮起来，就很简单了，每次处理两个盘子，也就是：A->B、A ->C、B->C这三个步骤，而被遮住的部份，其实就是进入程式的递回处理。

 

 

事实上，若有n个盘子，则移动完毕所需之次数为2^n - 1，所以当盘数为64时，则所需次数为：

2⁶⁴- 1 = 18446744073709551615

为5.05390248594782e+16年，也就是约5000世纪，如果对这数字没什么概念，就假设每秒钟搬一个盘子好了，也要约5850亿年左右。 

演算法

Procedure HANOI(n, A, B, C) [
    IF(n == 1) [
        PRINT("Move sheet " n " from " A " to " C);
    ]
    ELSE [
        HANOI(n-1, A, C, B);
        PRINT("Move sheet " n " from " A " to " C);
        HANOI(n-1, B, A, C); 
    ]    
] 

实作

• C

#include <stdio.h>

void hanoi(int n, char A, char B, char C) {
    if(n == 1) {
        printf("Move sheet %d from %c to %c\n", n, A, C);
    }
    else {
        hanoi(n-1, A, C, B);
        printf("Move sheet %d from %c to %c\n", n, A, C);
        hanoi(n-1, B, A, C);
    }
}

int main() {
    int n;
    printf("请输入盘数：");
    scanf("%d", &n);
    hanoi(n, 'A', 'B', 'C');
    return 0;
} 

• Java

import java.io.*;

public class Hanoi {
    public static void main(String args[]) throws IOException {
        int n;
        BufferedReader buf;
        buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

        System.out.print("请输入盘数：");
        n = Integer.parseInt(buf.readLine());

        Hanoi hanoi = new Hanoi();
        hanoi.move(n, 'A', 'B', 'C');
    }

    public void move(int n, char a, char b, char c) {
        if(n == 1)
            System.out.println("盘 " + n + " 由 " + a + " 移至 " + c);
        else {
            move(n - 1, a, c, b);
            System.out.println("盘 " + n + " 由 " + a + " 移至 " + c);
            move(n - 1, b, a, c);
        }
    }
} 

解释如下：【From：http://zhidao.baidu.com/question/10992444】

Hanoi塔问题, 算法分析如下，设A上有n个盘子。
如果n=1，则将圆盘从A直接移动到C。
如果n=2，则：
（1）将A上的n-1（等于1）个圆盘移到B上；
（2）再将A上的一个圆盘移到C上；
（3）最后将B上的n-1（等于1）个圆盘移到C上。
如果n=3，则：
A）将A上的n-1（等于2，令其为n`）个圆盘移到B（借助于C），步骤如下：
（1）将A上的n`-1（等于1）个圆盘移到C上。
（2）将A上的一个圆盘移到B。
（3）将C上的n`-1（等于1）个圆盘移到B。
B）将A上的一个圆盘移到C。
C）将B上的n-1（等于2，令其为n`）个圆盘移到C（借助A），步骤如下：
（1）将B上的n`-1（等于1）个圆盘移到A。
（2）将B上的一个盘子移到C。
（3）将A上的n`-1（等于1）个圆盘移到C。到此，完成了三个圆盘的移动过程。

从上面分析可以看出，当n大于等于2时， 移动的过程可分解为三个步骤：第一步 把A上的n-1个圆盘移到B上；第二步 把A上的一个圆盘移到C上；第三步 把B上的n-1个圆盘移到C上；其中第一步和第三步是类同的。 当n=3时，第一步和第三步又分解为类同的三步，即把n`-1个圆盘从一个针移到另一个针上，这里的n`=n-1。