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2023-07-24 03:03:29 +08:00
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# 12.4.   汉诺塔问题
在归并排序和构建二叉树中,我们将原问题分解为两个规模为原问题一半的子问题。然而对于即将介绍的汉诺塔问题,我们采用不同的分解策略。
在归并排序和构建二叉树中,我们都是将原问题分解为两个规模为原问题一半的子问题。然而对于汉诺塔问题,我们采用不同的分解策略。
!!! question
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<p align="center"> Fig. 汉诺塔问题示例 </p>
在本文中,**我们将规模为 $i$ 的汉诺塔问题记做 $f(i)$** 。例如 $f(3)$ 代表将 $3$ 个圆盘从 `A` 移动至 `C` 的汉诺塔问题。
**我们将规模为 $i$ 的汉诺塔问题记做 $f(i)$** 。例如 $f(3)$ 代表将 $3$ 个圆盘从 `A` 移动至 `C` 的汉诺塔问题。
### 考虑基本情况
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2. 再将大圆盘从 `A` 移至 `C`
3. 最后将小圆盘从 `B` 移至 `C`
如下图所示,对于小圆盘的移动,**我们称 `C` 为目标柱、`B` 为缓冲柱**
解决问题 $f(2)$ 的过程可总结为:**将两个圆盘借助 `B``A` 移至 `C`** 。其中,`C` 为目标柱、`B` 为缓冲柱。
=== "<1>"
![规模为 2 问题的解](hanota_problem.assets/hanota_f2_step1.png)
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### 子问题分解
对于问题 $f(3)$ ,即当有三个圆盘时,情况变得稍微复杂了一些。由于已知 $f(1)$ 和 $f(2)$ 的解,我们可以从分治角度思考,**将 `A` 顶部的两个圆盘看做一个整体**执行以下步骤:
对于问题 $f(3)$ ,即当有三个圆盘时,情况变得稍微复杂了一些。由于已知 $f(1)$ 和 $f(2)$ 的解,因此可从分治角度思考,**将 `A` 顶部的两个圆盘看做一个整体**,执行以下步骤:
1.`B` 为目标柱、`C` 为缓冲柱,将两个圆盘从 `A` 移动至 `B`
2.`A` 中剩余的一个圆盘从 `A` 移动至 `C`
2.`A` 中剩余的一个圆盘从 `A` 直接移动至 `C`
3.`C` 为目标柱、`A` 为缓冲柱,将两个圆盘从 `B` 移动至 `C`
这样三个圆盘就被顺利地从 `A` 移动至 `C` 了。
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=== "<4>"
![hanota_f3_step4](hanota_problem.assets/hanota_f3_step4.png)
本质上看,我们将问题 $f(3)$ 划分为两个子问题 $f(2)$ 和子问题 $f(1)$。按顺序解决这三个子问题之后,原问题随之得到解决。**以上分析说明子问题独立性,以及解是可以合并的**
本质上看,**我们将问题 $f(3)$ 划分为两个子问题 $f(2)$ 和子问题 $f(1)$** 。按顺序解决这三个子问题之后,原问题随之得到解决。说明子问题独立的,且解是可以合并的。
至此,我们可总结出汉诺塔问题的分治策略:**将原问题 $f(n)$ 划分为两个子问题 $f(n-1)$ 和一个子问题 $f(1)$** 。子问题的解决顺序为:
至此,我们可总结出汉诺塔问题的分治策略:将原问题 $f(n)$ 划分为两个子问题 $f(n-1)$ 和一个子问题 $f(1)$ 。子问题的解决顺序为:
1. 将 $n-1$ 个圆盘借助 `C``A` 移至 `B`
2. 将剩余 $1$ 个圆盘从 `A` 直接移至 `C`
3. 将 $n-1$ 个圆盘借助 `A``B` 移至 `C`
并且,对于这两个子问题 $f(n-1)$ **可以通过相同的方式进行递归划分**,直至达到最小子问题 $f(1)$ 。而 $f(1)$ 的解是已知的,只需一次移动操作即可。
对于这两个子问题 $f(n-1)$ **可以通过相同的方式进行递归划分**,直至达到最小子问题 $f(1)$ 。而 $f(1)$ 的解是已知的,只需一次移动操作即可。
![汉诺塔问题的分治策略](hanota_problem.assets/hanota_divide_and_conquer.png)
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### 代码实现
在代码实现中,我们声明一个递归函数 `dfs(i, src, buf, tar)` ,它的作用是将柱 `src` 顶部的 $i$ 个圆盘借助缓冲柱 `buf` 移动至目标柱 `tar`
在代码中,我们声明一个递归函数 `dfs(i, src, buf, tar)` ,它的作用是将柱 `src` 顶部的 $i$ 个圆盘借助缓冲柱 `buf` 移动至目标柱 `tar`
=== "Java"