Giải chi tiết chuyên đề tin học định hướng Khoa học máy tính 11 Kết nối mới bài 4 Bài toán tháp Hà Nội

Câu hỏi 2. Mô tả lời giải bài toán với n = 1, 2, 3 nếu yêu cầu là di chuyển các đĩa từ cọc 1 sang cọc 2 (cọc 3 là cọc trung gian).

Hướng dẫn trả lời:

* Giải trò chơi Tháp Hà Nội với n=1:

Di chuyển đĩa 1 từ cọc 1 sang cọc 2.

        * Giải trò chơi Tháp Hà Nội với n=2:

Di chuyển đĩa 1 từ cọc 1 sang cọc 3.

Di chuyển đĩa 2 từ cọc 1 sang cọc 2.

Di chuyển đĩa 1 từ cọc 3 sang cọc 2.

        * Giải trò chơi Tháp Hà Nội với n=3:

Di chuyển đĩa 1 từ cọc 1 sang cọc 2.

Di chuyển đĩa 2 từ cọc 1 sang cọc 3.

Di chuyển đĩa 1 từ cọc 2 sang cọc 3.

Di chuyển đĩa 3 từ cọc 1 sang cọc 2.

Di chuyển đĩa 1 từ cọc 3 sang cọc 1.

Di chuyển đĩa 2 từ cọc 3 sang cọc 2.

Di chuyển đĩa 1 từ cọc 1 sang cọc 2.

Nhận xét: Với n = 1, chỉ cần di chuyển một đĩa từ cọc 1 sang cọc 2. Với n = 2, ta thực hiện ba lần di chuyển. Với n = 3, ta thực hiện bảy lần di chuyển. Với mỗi tăng thêm một đĩa, số lần di chuyển tăng lên gấp đôi và cộng thêm một.

2. Ý tưởng giải bài toán tháp Hà Nội

Câu hỏi 1. Đọc, trao đổi để hiểu được ý tưởng thiết kế đệ quy cho lời giải bài toán Tháp Hà Nội.

Hướng dẫn trả lời:

Ý tưởng giải bài toán Tháp Hà Nội có n đĩa từ cọc 1 sang cọc 3 như sau:

Bước 1. Chuyển n - 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 2 lấy cọc 5 làm trung gian.

Bước 2. Chuyển đĩa n từ cọc 1 sang cọc 3.

Bước 3. Chuyển n - 1 đĩa từ cọc 2 sang cọc 3 lấy cọc 1 làm trung gian.

Câu hỏi 2. Viết sơ đồ chi tiết giải bài toán Tháp Hà Nội cho trường hợp n = 4. Tính H(4).

Hướng dẫn trả lời:

1. Di chuyển 3 đĩa từ cọc 1 sang cọc 3:

1.1 Di chuyển 2 đĩa từ cọc 1 sang cọc 2:

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 3.

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 2.

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 3 sang cọc 2.

1.2. Di chuyển 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 3.

1.3. Di chuyển 2 đĩa từ cọc 2 sang cọc 3:

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 2 sang cọc 1.

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 2 sang cọc 3

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 3.

2. Di chuyển 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 2.

3. Di chuyển 3 đĩa từ cọc 3 sang cọc 2:

3.1 Di chuyển 2 đĩa từ cọc 3 sang cọc 1:

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 3 sang cọc 2. 3.1.2

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 3 sang cọc 1.

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 2 sang cọc 1.

3.2 Di chuyển 1 đĩa từ cọc 3 sang cọc 2.

3.3 Di chuyển 2 đĩa từ cọc 1 sang cọc 2:

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 3.

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 1 sang cọc 2.

- Di chuyển 1 đĩa từ cọc 3 sang cọc 2.

Vậy, tổng số bước để di chuyển 4 đĩa theo quy trình trên là:

- Di chuyển 3 đĩa từ cọc 1 sang cọc 2: 7 bước

- Di chuyển đĩa còn lại từ cọc 1 sang cọc 3: 1 bước

- Di chuyển 3 đĩa từ cọc 2 sang cọc 3: 7 bước

Vậy tổng số bước cần thiết để di chuyển 4 đĩa trong bài toán tháp Hà Nội là 15 bước.

3. Thiết lập chương trình giải bài toán Hà Nội

Câu hỏi 1. Gọi Hanoi(n, i, j, k) là bài toán yêu cầu chuyển n đĩa đang xếp ở cọc i sang cọc j lấy cọc k làm trung gian. Các đĩa được đánh số từ 1 đến n và xếp theo thứ tự từ trên xuống. Các điều kiện của việc chuyển như sau:

1. Các đĩa đánh số từ 1 đến n và có kích thước tăng dần.

2. Mỗi lần chỉ được phép chuyển một đĩa.3. Không được phép xếp đĩa to lên trên đĩa nhỏ.

Em hãy thiết kế thuật toán đệ quy tổng quát cho bài toán trên. Yêu cầu phải mô tả chi tiết từng bước chuyển.

Hướng dẫn trả lời:

Mô tả chi tiết từng bước chuyển như sau:

1. Khi n = 1:

Di chuyển đĩa từ cọc i sang cọc j.

2. Khi n > 1:

- Bước 1: Chuyển n - 1 đĩa từ cọc i sang cọc k:

Gọi lại thuật toán Hanoi(n-1, i, k, j) để chuyển n - 1 đĩa từ cọc i sang cọc k.

- Bước 2: Chuyển đĩa lớn nhất từ cọc i sang cọc j:

Di chuyển đĩa từ cọc i sang cọc j.

- Bước 3: Chuyển n - 1 đĩa từ cọc k sang cọc j:

Gọi lại thuật toán Hanoi(n-1, k, j, i) để chuyển n - 1 đĩa từ cọc k sang cọc j.

Câu hỏi 1. Tính các giá trị H(2), H(3), H(4), H(5) của bài toán Tháp Hà Nội.

Hướng dẫn trả lời:

Để tính các giá trị H(2), H(3), H(4), H(5) của bài toán Tháp Hà Nội, ta có thể sử dụng công thức như sau:

H(2) = 2

H(3) = 2 * H(2) + 1 = 2 * 2 + 1 = 5

H(4) = 2 * H(3) + 1 = 2 * 5 + 1 = 11

H(5) = 2 * H(4) + 1 = 2 * 11 + 1 = 23

Vậy H(2) = 2, H(3) = 5, H(4) = 11, H(5) = 23.

Câu hỏi 2.  Viết chương trình đệ quy để tính giá trị H(n) của bài toán Tháp Hà Nội.

Hướng dẫn trả lời:

Luyện tập

Câu hỏi 1. Viết chương trình đệ quy để tính giá trị H(n) của bài toán Tháp Hà Nội.

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 1. Viết chương trình rút gọn của hàm Hanoi(n, i, j, k) như sau và kiểm tra kết quả.

1. def Hanoi(n, i, j, k):
2. if n>0:
3. Hanoi(n-1, i, k, j)
4. print(" Chuyển địa", n, " từ cọc", i, "sang cọc",j)
5. Hanoi( n-1, k, j, i)

Hướng dẫn trả lời:

Chương trình viết đúng. Thử với n = 4, kết quả thu được như sau:

Vận dụng

Câu hỏi 1. Hãy chứng minh công thức H(n) = 2ⁿ-1bằng quy nạp toán học. Hãy tính H(64) và so sánh với con số các bước đã được đưa ra trong tờ quảng cáo của trò chơi vào năm 1883.

Hướng dẫn trả lời:

- Nếu chỉ có một đĩa (n=1), H(n) = 1.

- Nếu có n đĩa, để chuyển tất cả các đĩa từ tháp ban đầu sang tháp đích, ta phải thực hiện các bước sau:

Chuyển n-1 đĩa từ tháp ban đầu sang tháp trung gian.

Chuyển đĩa cuối cùng (đĩa lớn nhất) từ tháp ban đầu sang tháp đích.

Chuyển n-1 đĩa từ tháp trung gian sang tháp đích.

Số bước chuyển tất cả các đĩa là H(n) = 2 * H(n-1) + 1.

- Ta sẽ chứng minh công thức này bằng phương pháp quy nạp toán học:

Bước 1: Giả sử công thức đúng với n-1, tức là H(n-1) = 2^(n-1) - 1

Bước 2: Chứng minh công thức đúng với n, tức là H(n) = 2^n - 1

Ta có:

H(n) = 2 * H(n-1) + 1 (theo công thức đề bài)

= 2 * (2^(n-1) - 1) + 1 (theo giả sử ở bước 1)

= 2^n - 2 + 1

= 2^n - 1

Vậy ta đã chứng minh được công thức đúng với mọi n.

Để tính H(64), ta áp dụng công thức đã chứng minh:

H(64) = 2^64 - 1

= 18446744073709551615

Vậy H(64) = 18446744073709551615 trùng với con số ở trên bài báo

Câu hỏi 2. Giả sử cần lưu dãy các bước chuyển của bài toán Tháp Hà Nội vào một danh sách để có thể sử dụng lại về sau. Mỗi bước chuyển dạng k: i -> j sẽ được lưu trong một bộ ba số (k, i, j). Viết chương trình giải bài toán Tháp Hà Nội tổng quát Hanoi(n, i, j, k) chuyển n đĩa từ cọc i sang cọc j lấy cọc k làm trung gian với yêu cầu lưu tất cả các bước chuyển vào một danh sách (list). Như vậy, hàm Hanoi(n, i, j, k) sẽ trả về một danh sách bao gồm các bộ ba số dạng như đã mô tả ở trên.

Hướng dẫn trả lời:

Để giải bài toán Tháp Hà Nội và lưu các bước chuyển vào một danh sách, ta có thể sử dụng thuật toán đệ quy. Trong mỗi lần đệ quy, ta sẽ chuyển n-1 đĩa từ cọc ban đầu sang cọc trung gian, sau đó chuyển đĩa lớn nhất từ cọc ban đầu sang cọc đích và cuối cùng chuyển n-1 đĩa từ cọc trung gian sang cọc đích.

Ví dụ, để chuyển 3 đĩa từ cọc A sang cọc C lấy cọc B làm trung gian, ta có thể gọi hàm Hanoi(3, 'A', 'C', 'B') và kết quả trả về sẽ là danh sách các bước chuyển [(1, 'A', 'C'), (2, 'A', 'B'), (1, 'C', 'B'), (3, 'A', 'C'), (1, 'B', 'A'), (2, 'B', 'C'), (1, 'A', 'C')].