河内塔游戏

艾米丽和托尼是两个幸福的孩子,他们的工作就是从电影和电视中挖掘数学,然后在这里向我们汇报。

【故事】

艾米丽:托尼,如果你是《猩球崛起》里的那个男主角,你会如何对待那只越来越聪明的猩猩呢?

托尼:我会和他做一样的选择,让它回森林里去生活。对了,你还记得男主角测试猩猩智商的时候,让它玩的那个游戏吗?说实话,我觉得那个游戏不简单呢。

艾米丽:当然记得,它越来越聪明,完成那个游戏的时间也越来越短了。对了,我查了一下,那个游戏叫“河内塔”。

【事件】

什么叫作“河内塔”?

三根圆杆,其中一根圆杆上有至少两个尺寸不一样的有孔圆盘,放置的顺序是从上到下依次变大。每个圆盘可以在三根圆杆间移来移去,每次只能移动一个圆盘,并且大的圆盘始终不能套在小的圆盘的上面。最后将所有的圆盘按照原来的顺序移到另一根圆杆上。

这就是“河内塔”游戏。

我们的河内塔游戏将从3个圆盘开始。

3个圆盘,从红色圆杆移至蓝色圆杆,最少要几步呢?

那如果有4个圆盘呢?《猩球崛起》中的男主人公带了一只小猩猩回家,被他的爸爸取名叫恺撒。恺撒的母亲在实验室里做4个圆盘的河内塔游戏时,移动了15步就完成了。男主角以此认为他研究的开发脑力的药物是有效的。那么,4个圆盘的河内塔是不是最少要15步呢?

这次我们把4个圆盘从大到小用A、B、C、D来表示,A在最下面,D在最上面。

圆杆1,圆杆2, 圆杆3

第1次:CBA — D

第2次:BA C D

第3次:BA DC —

第4次:A DC B

第5次:DA C B

第6次:DA — CB

第7次:A — DCB

第8次:— A DCB

第9次:— DA CB

第10次:C DA B

第11次:DC A B

第12次:DC BA —

第13次:C BA D

第14次:— CBA D

第15次:— DCBA —

所以,恺撒的做法是完全正确的,实验结果的确证实了开发脑力的新药的确有效。

3个圆盘最少需要7步,4个圆盘最少需要15步,那5个、6个、7个最少各需要多少步呢?

答案是:

3个圆盘:2×2×2-1=7步

4个圆盘:2×2×2×2-1=15步

5个圆盘:2×2×2×2×2-1=31步

6个圆盘:2×2×2×2×2×2-1=63步

7个圆盘:2×2×2×2×2×2×2-1=127步

薯条们有没有发现什么规律呢?

【生活实践】

关于河内塔,有这样一个古老的印度传说:在世界中心贝拿勒斯(在印度北部)的圣庙里,一块黄铜板上插着三根宝石针。印度教的主神梵天在创造世界的时候,在其中一根针上从下到上地穿好了由大到小的64片金片。

不论白天黑夜,总有一个僧侣在按照下面的法则移动这些金片:一次只移动一片,不管在哪根针上,小片必须在大片上面。僧侣们预言,当所有的金片都从梵天穿好的那根针上移到另外一根针上时,世界就将在一声霹雳中毁灭。

托尼:哈哈,又是一个关于世界末日的传说。

薯条们已经知道规律了,那么当河内塔有64个圆盘后,到底最少要移动多少步呢?

如果僧侣1秒移动1片金片,需要多久才能完成这个河内塔呢?

1年有60×60×24×365=31536000秒,

闰年有60×60×24×366=31622400秒

所以平均每年(31536000×3+31622400)÷4=31557600秒

18446744073709551615÷31557600=584542046091年

僧侣们日日夜夜不停地移动,也要约5845亿年才能移完。而科学家们预测的太阳系的寿命也就数百亿年,地球的寿命则更短。所以世界末日什么的,完全不需要担心。

艾米丽:只是玩一个河内塔的游戏而已,竟然要花这么长时间!

想玩河内塔的薯条们也不要着急,作为一种玩具,通常它只有8个圆盘,难度中等,完全可以试试。

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