Hanoi Tower 汉诺塔问题

Hanoi Tower 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 A B C；
若n为奇数，按顺时针方向依次摆放 A C B。
（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：

void Move(char chSour, char chDest)
{
/*打印移动步骤*/
printf("\nMove the top plate of %c to %c",chSour, chDest);
}
Hanoi(int n, char chA, char chB, char chC)
{
/*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()
{
int n;
/*输入盘子的数量*/
printf("\nPlease input number of the plates: ");
scanf("%d",&n);
printf("\nMoving %d plates from A to C:",n);

/*调用函数计算，并打印输出结果*/
Hanoi(n,'A','B','C');
}

一般会简化成如下：

#include<stdio.h>
int count = 0;  //The total movement.
void hanoi(int n,char A,char B,char C)
{
    count++;
    if(n==1)
    {
        printf("Move disk %d from %c to %c\n",n,A,C);
    }
    else
    {
        hanoi(n-1,A,C,B);
        printf("Move disk %d from %c to %c\n",n,A,C);
        hanoi(n-1,B,A,C);
    }
}
void main()
{
    int n;
    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');
}

汉诺塔算法的非递归实现C++源代码：

#include <iostream>
using namespace std;

//圆盘的个数最多为64
const int MAX = 64;

//用来表示每根柱子的信息
struct st{
      int s[MAX]; //柱子上的圆盘存储情况
      int top; //栈顶，用来最上面的圆盘
      char name; //柱子的名字，可以是A，B，C中的一个
      int Top()//取栈顶元素
      {
            return s[top];
      }
      int Pop()//出栈
      {
            return s[top--];
      }
      void Push(int x)//入栈
      {
            s[++top] = x;
      }
} ;

long Pow(int x, int y); //计算x^y
void Creat(st ta[], int n); //给结构数组设置初值
void Hannuota(st ta[], long max); //移动汉诺塔的主要函数

int main(void)
{
      int n;
      cin >> n; //输入圆盘的个数
      st ta[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

      long max = 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");
      return 0;
}

void Creat(st ta[], int n)
{
      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 (int i=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 (int i=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 A B C
      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 A C B
      {
            ta[1].name = 'C';
            ta[2].name = 'B';
      }
}

long Pow(int x, int y)
{
      long sum = 1;
      for (int i=0; i<y; i++)
            sum *= x;

      return sum;
}

void Hannuota(st ta[], long max)
{
  int k = 0; //累计移动的次数
  int i = 0;
  int ch;
  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 << ": " <<
         "Move disk " << 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 << ": " << "Move disk "
             << 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 << ": " << "Move disk "
            << ch << " from " << ta[(i+1)%3].name
            << " to " << ta[(i-1)%3].name << endl;
    }
 }
}
}