【具体数学--读书笔记】1.1 The Power of Hanoi
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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