【具体数学--读书笔记】1.1 The Power of Hanoi

简介: 这一节借助汉诺塔问题引入了"Reccurent Problems"。 (Reccurence, 在这里解释为“the solution to each problem depends on the solutions to smaller instances of the same problem”.

这一节借助汉诺塔问题引入了"Reccurent Problems"。

(Reccurence, 在这里解释为“the solution to each problem depends on the solutions to smaller instances of the same problem”. 即由相同的规模更小的问题的到原问题的解)

Hanoi问题描述:

  "given a tower of eight disks, initially stacked in decreasing size on peg A.

  Our task: transfer the entire tower to tower C, moving only one disk at a time and never mobing a larger one onto a smaller.

  Question: How many moves are necessary and sufficient to perform the task?"

 

作者按照如下步骤分析求出n层汉诺塔的最少移动次数的通项公式:

1. generalize:最初是法国数学家Edouard Lucas提出的8层汉诺塔玩具,后来Lucas又创造了一个64层汉诺塔的故事。这里我们把汉诺塔的层数泛化为n

2. introduce appropriate notation, name and conquer:引入记号Tn表示n层的汉诺塔问题的最少移动次数

3. look at small cases:易知T1=1, T2=3, T3 = 7

4. find and prove a reccurence relation:找到并证明递推关系

(1) find a sufficient solution: 找到一个充分(可行)的解;

  具体地,将求解small cases的方法推广,把除最底层以外的前n-1层看成一个整体,得到一个可行的方案Tn-1 + 1 + Tn-1,由此可得Tn <= 2*Tn-1 + 1

(2) prove it necessary: 证明它的必要性;

  具体地,分析移动过程,移动最底层盘子之前,至少已花费Tn-1步将前n-1层移至辅助桩;最底层盘子就位后,同样至少要花费Tn-1将前n-1层从辅助桩移到目标桩,由此可得Tn >= 2*Tn-1 + 1

(3) yeild recurrence relation:v由(1)(2)得到等式,加上对平凡(trivial)情况的约定,构成如下递推关系

  T0 = 0  

  Tn = 2*Tn-1 + 1

注:递推关系给出的是"indirect, local information",已知局部的一个值可以方便地求出邻近的值,好比链表

5. find and prove a closed form expression: 找到并证明通项式

(1) 方法一:列出small cases观察 -> 猜一个式子 -> 用数学归纳法(mathematical induction)验证

(2) 方法二:直接从递推式推导:

1) add 1 to both sides of the equations:把右侧化成和左侧类似的形式

   T0 + 1= 1

   Tn + 1= 2*Tn-1 + 2 = 2*(Tn-1 + 1)

2) let Un = Tn + 1, we have 引入另一个记号,换元

  U0 = 1

  Un = 2*Un

由此构造出等比数列Un, 首项为1,公比为2,所以通项Un = U0*2^n = 2^n

3) 带回T, 得到通项公式Tn = Un - 1 = 2^n - 1

 

作者说这本书主要关注讨论的就是类似第5步方法二的方法,通过推导,而不是“猜测+验证”的方式来由递推式得到通项式

"to explain how a person can solve recurrences without being clairvoyant."

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