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答案 | 汉诺塔之谜

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法国数学家爱德华·卢卡斯(Édouard Lucas)1842年出生于法国亚眠,49年后在巴黎去世。1883年,卢卡斯使用化名“N.克劳斯·德赛亚姆”(N. Claus de Siam),推出了一款名为“汉诺塔”(Tower of Hanoi)的接龙游戏。
按照他的说法,这款游戏是名为“梵天塔”(Tower of Brahma)的数学归纳游戏的简化版。根据相关的传说,僧侣们必须移动一座宏伟的寺庙中由64个金盘组成的塔。然而,在他们完成这项任务后,寺庙就会轰然倒塌,化为灰烬,世界也便随之终结。
汉诺塔由一块小板组成,板上安装有三根相同的圆柱。左边的圆柱套有5个大小不一的圆盘,圆盘中间有一个孔。这些圆盘按尺寸大小排列,最大的圆盘位于最底下。这个游戏的目标是将所有的圆盘从最左边的圆柱移动到最右边的圆柱,并且用尽可能少的步数完成。每一步最多只能移动一个圆盘,并且不能将较大的圆盘放在较小的圆盘上面。要完成这些任务,需要移动多少步?
以下是这一问题的答案:

我们可以用不同大小的数字代替不同尺寸的圆盘。现在,我们从只有一个圆盘的“塔”开始,来系统地构建解决方案。如果只有一个圆盘,那么答案很简单:只需一步,就可以将这个圆盘从左移动到右。

对于有两个圆盘的“塔”,首先将圆盘1从左边的圆柱移动到中间的圆柱上,然后将圆盘2从左移动到右,最后将圆盘1从中间的圆柱移动到右边的圆柱上。这总共需要3步,即(2²-1)步。

对于有三个圆盘的“塔”,首先,我们不移动圆盘3,将问题简化为只有两个圆盘的移动。这样一来,我们可以先将这两个圆盘从左边的圆柱移动到中间的圆柱上,共需要三步。然后,第四步是我们将圆盘3从左移动到右。接着,我们不再移动圆盘3,而是将其余两个圆盘从中间的圆柱移动到右边的圆柱上,依然需要三步。因此,这总共需要:3+1+3=7步,即(2³-1)步。

对于有4个圆盘的“塔”,我们可以通过类似的方式,将问题简化为只三个圆盘的移动。这总共需要7+1+7=15步,即(2⁴-1)步。最后,对于有5个圆盘的“塔”,则总共需要15+1+15=31步,即(2⁵-1)步。一般来说,对于有n个圆盘的“塔”,总共需要(2ⁿ-1)步。

因此,对于爱德华·卢卡斯原本设计的游戏,汉诺塔有8个圆盘,那么要将这些圆盘从左移动到右就需要255步。