מגדלי הנוי של אדואר לוקאס - כמה זמן ייקח לכוהנים להעביר שישים וארבע דיסקיות?

משחק מגדלי הנוי עשוי עץ ובו דיסקיות בגדלים שונים על שלושה מוטות

צילום: Bin im Garten, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

בשנת 1883 הציג המתמטיקאי הצרפתי אדואר לוקאס משחק חדש בחנויות הצעצועים של פריז, ומכר אותו תחת שם בדוי - "פרופסור קלאוס מאוניברסיטת לי-סו-סטיאן". השם היה אנגרמה של שמו ושל מקום עבודתו, ולוקאס צירף למשחק סיפור מסתורי.

על פי הסיפור, במקדש הודי עתיק עומדים שלושה מוטות. על המוט הראשון מושחלות שישים וארבע דיסקיות זהב, מסודרות בסדר יורד - הגדולה למטה והקטנה למעלה. כוהני המקדש עובדים ללא הפסקה, יומם ולילה, כדי להעביר את כל הערימה למוט השלישי. כשיסיימו, טוען הסיפור, יגיע הקץ.

הכללים פשוטים:

מעבירים דיסקית אחת בכל פעם, ורק את העליונה שבערימה.

אסור להניח דיסקית גדולה על גבי דיסקית קטנה ממנה.

אפשר להשתמש בשלושת המוטות בכל שלב.

השאלה: מהו מספר המהלכים הקטן ביותר הדרוש להעברת מגדל של n דיסקיות - וכמה זמן ייקח לכוהנים לסיים שישים וארבע דיסקיות, אם הם מבצעים מהלך אחד בשנייה בדיוק ואינם טועים לעולם?

אל תנסו לדמיין שישים וארבע דיסקיות. התחילו מאחת, אחר כך שתיים, אחר כך שלוש, ורשמו את מספר המהלכים המינימלי בכל מקרה. הסדרה שתקבלו מזוהה מיד.

חשבו רקורסיבית. כדי להעביר מגדל של n דיסקיות מהמוט הראשון לשלישי, חובה בשלב מסוים להזיז את הדיסקית הגדולה מכולן. כדי שזה יתאפשר, המוט השלישי חייב להיות ריק לגמרי וכל n מינוס אחת הדיסקיות שמעליה חייבות להיערם על המוט האמצעי.

כלומר: פותרים בעיה של n מינוס אחת, מזיזים מהלך אחד, ופותרים שוב בעיה של n מינוס אחת. סמנו ב-H(n) את מספר המהלכים וכתבו את הנוסחה שנובעת מכך.

מספר המהלכים המינימלי הוא שתיים בחזקת n פחות אחת.

הנימוק: כדי להזיז את הדיסקית התחתונה, יש להעביר קודם את כל n מינוס אחת הדיסקיות שמעליה למוט העזר - וזו בדיוק אותה בעיה בגודל קטן יותר. אחר כך מהלך אחד מעביר את הדיסקית הגדולה ליעד, ולבסוף חוזרים על אותה עבודה כדי להעביר את n מינוס אחת הדיסקיות מהמוט האמצעי אל היעד.

מכאן H(n) = 2 כפול H(n-1) ועוד 1, כאשר H(1) שווה 1. פתרון הנוסחה נותן H(n) = 2 בחזקת n פחות 1.

אפשר לבדוק: דיסקית אחת - מהלך אחד. שתיים - שלושה מהלכים. שלוש - שבעה. ארבע - חמישה עשר. עשר דיסקיות דורשות כבר 1023 מהלכים.

וכמה זמן ייקח לכוהנים?

עבור שישים וארבע דיסקיות מדובר ב-2 בחזקת 64 פחות 1 מהלכים, כלומר 18,446,744,073,709,551,615 מהלכים.

במהלך אחד בשנייה, ובלי הפסקה אחת, זמן העבודה הוא כ-584 מיליארד שנה. לשם השוואה, גיל היקום מוערך בכ-13.8 מיליארד שנה בלבד - כלומר הכוהנים היו צריכים להתחיל בערך ארבעים ושתיים "יקומים" לפני שלנו כדי לסיים היום.

נקודה נוספת ויפה: מספר המהלכים אינו רק גדול, הוא גם מדויק - אין דרך לחסוך אפילו מהלך אחד. בנוסף, לרצף המהלכים האופטימלי יש קשר מפתיע: אם רושמים את מספרי המהלכים בבינארית, הדיסקית שיש להזיז בכל שלב נקבעת לפי מיקום הסיבית הימנית ביותר שדולקת. זהו גם הקשר הידוע בין מגדלי הנוי לקוד גריי ולעקומת סירפינסקי.

הוספת תגובה

תגובות

  • לא נמצאו תגובות