汉诺塔问题

问题描述和背景:

汉诺塔是学习"递归"的经典入门案例,该案例来源于真实故事。‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‫‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‭‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‭‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‭‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‪‬‮‬‭‬‪‬在世界某个地方有个很虔诚的宗教组织,其中僧侣维护者一项神圣任务:保持宇宙的时间(好伟大啊....)。在时间的最开始(那时候有僧侣吗?),僧侣在平台上竖立了三个垂直杆,在最左侧杆上有64个不同半径金色同心圆盘,直径较大的圆盘堆放在下方,形成了金字塔形状的外观,僧侣们的任务是将所有圆盘从最左侧杆子移动到最右侧杆子上,这个宗教认为当僧侣们完成任务时,万事万物将会化为乌有,宇宙将结束(僧侣们内心该是怎样的~~(>_<)~~)。为了保持神圣的顺序,僧侣们移动圆盘需要遵从特定的规则:一次只能移动一个盘子、盘子只能在3个标杆之间移动、更大的盘子不能放在更小的盘子上面。

上星期的作业中我已经打出了输出步骤的Python代码,用了递归的思想,解决起来就很方便。先看看递归思想的解决方案吧。

代码如下:

def  move(n,a,b,c):
  if n==:
    print(a,'-->',c)
  else:
    move(n-,a,c,b)
    move(,a,b,c)
    move(n-,b,a,c)
move(,'A','B','C')

结果如图所示:

只要几行代码,就可以实现,但是要把这些可视化,又要怎么办呢?

今天就来尝试一下用Python强大的turtle库把汉诺塔问题可视化

emmmm我的能力有限,所以参考了网上的做法,代码如下:

一、设计一个类(Class)

类(Class):用来描述具有相同的属性和方法的对象的集合。它定义了该集合中每个对象所共有的属性和方法。对象是类的实例。

下面是此程序需用到的类(Class)代码:

class Stack:
def __init__(self):
self.items = []
def isEmpty(self):
return len(self.items) == 0
def push(self, item):
self.items.append(item)
def pop(self):
return self.items.pop()
def peek(self):
if not self.isEmpty():
return self.items[len(self.items) - 1]
def size(self):
return len(self.items)

二、设计汉诺塔的底座

为了还原汉诺塔的移动过程,增强可视化程度,我们给它加上三个底座,代码如下:

def drawpole_3():#画出汉诺塔的三个底座
t = turtle.Turtle()
t.hideturtle()
def drawpole_1(k):
t.up()
t.pensize(10)
     t.pencolor('blue')
t.speed(100)
t.goto(400*(k-1), 100)
t.down()
t.goto(400*(k-1), -100)
t.goto(400*(k-1)-20, -100)
t.goto(400*(k-1)+20, -100)
drawpole_1(0)
drawpole_1(1)
drawpole_1(2)

三、制造汉诺塔的盘子

汉诺塔当然少不了盘子了,我们要写一段代码来绘制若干个盘子,代码如下:

def creat_plates(n):#制造n个盘子
plates=[turtle.Turtle() for i in range(n)]
for i in range(n):
plates[i].up()
plates[i].hideturtle()
plates[i].shape("square")
plates[i].shapesize(1,8-i)
plates[i].goto(-400,-90+20*i)
plates[i].showturtle()
return plates

四、制造一个底座的栈

栈:栈作为一种数据结构,是一种只能在一端进行插入和删除操作。它按照先进后出的原则存储数据,先进入的数据被压入栈底,最后的数据在栈顶,需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据(最后一个数据被第一个读出来)。昨天刚刚好学了栈,现在正好拿来试试手(嘿嘿嘿)

此处使用的栈并非Python中真正意义上的栈,而是与之意思相仿的说法,我们都知道,汉诺塔必须将最上的盘子取走方可移动第二层的盘子,以此类推,不移动上方的盘子,就无法移动下方的盘子,废话不多说,来看看这个代码吧:

def pole_stack():#制造poles的栈
poles=[Stack() for i in range(3)]
return poles

五、设计移动盘子的代码

准备完前面的工作,现在就要开始移动盘子了,代码如下:

def moveDisk(plates,poles,fp,tp):#把poles[fp]顶端的盘子plates[mov]从poles[fp]移到poles[tp]
mov=poles[fp].peek()
plates[mov].goto((fp-1)*400,150)
plates[mov].goto((tp-1)*400,150)
l=poles[tp].size()#确定移动到底部的高度(恰好放在原来最上面的盘子上面)
plates[mov].goto((tp-1)*400,-90+20*l)

六、设计操控盘子移动方向的代码

可以移动盘子了当然还不够,只是胡乱地移动无法解决汉诺塔问题,我们要让盘子向着能够解决问题的方向移动,代码如下:

def moveTower(plates,poles,height,fromPole, toPole, withPole):#递归放盘子
if height >= 1:
moveTower(plates,poles,height-1,fromPole,withPole,toPole)
moveDisk(plates,poles,fromPole,toPole)
poles[toPole].push(poles[fromPole].pop())
moveTower(plates,poles,height-1,withPole,toPole,fromPole)

七、调用

终于完成了全部准备工作,现在就来调用函数,让他们一起发挥作用吧!

import turtle

class Stack:
def __init__(self):
self.items = []
def isEmpty(self):
return len(self.items) == 0
def push(self, item):
self.items.append(item)
def pop(self):
return self.items.pop()
def peek(self):
if not self.isEmpty():
return self.items[len(self.items) - 1]
def size(self):
return len(self.items) def drawpole_3():#画出汉诺塔的poles
t = turtle.Turtle()
t.hideturtle()
def drawpole_1(k):
t.up()
t.pensize(10)
t.speed(100)
t.goto(400*(k-1), 100)
t.down()
t.goto(400*(k-1), -100)
t.goto(400*(k-1)-20, -100)
t.goto(400*(k-1)+20, -100)
drawpole_1(0)#画出汉诺塔的poles[0]
drawpole_1(1)#画出汉诺塔的poles[1]
drawpole_1(2)#画出汉诺塔的poles[2] def creat_plates(n):#制造n个盘子
plates=[turtle.Turtle() for i in range(n)]
for i in range(n):
plates[i].up()
plates[i].hideturtle()
plates[i].shape("square")
plates[i].shapesize(1,8-i)
plates[i].goto(-400,-90+20*i)
plates[i].showturtle()
return plates def pole_stack():#制造poles的栈
poles=[Stack() for i in range(3)]
return poles def moveDisk(plates,poles,fp,tp):#把poles[fp]顶端的盘子plates[mov]从poles[fp]移到poles[tp]
mov=poles[fp].peek()
plates[mov].goto((fp-1)*400,150)
plates[mov].goto((tp-1)*400,150)
l=poles[tp].size()#确定移动到底部的高度(恰好放在原来最上面的盘子上面)
plates[mov].goto((tp-1)*400,-90+20*l) def moveTower(plates,poles,height,fromPole, toPole, withPole):#递归放盘子
if height >= 1:
moveTower(plates,poles,height-1,fromPole,withPole,toPole)
moveDisk(plates,poles,fromPole,toPole)
poles[toPole].push(poles[fromPole].pop())
moveTower(plates,poles,height-1,withPole,toPole,fromPole) myscreen=turtle.Screen()
drawpole_3()
n=int(input("请输入汉诺塔的层数并回车:\n"))
plates=creat_plates(n)
poles=pole_stack()
for i in range(n):
poles[0].push(i)
moveTower(plates,poles,n,0,2,1)
myscreen.exitonclick()

八、效果

首先输入一下我们想测试的汉诺塔层数,为节省时间我就选择了3层(之前C语言的课上老师演示了一遍20个盘子的输出步骤,结果运行了一节课,Python的运行比较慢,三个盘子就够了~~~~)

这样就实现了,通过封装多个不同功能的python代码,结合多个方法就可以实现这样看似复杂的实现!

【累死了,敲这么长的代码真是个体力活。】

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