九连环的二进制表示与格雷码的关联是解题关键,具体计算方法如下:
一、基本规则
状态表示
九连环的每个状态用9位二进制数表示,其中第1位为最左边的环,第9位为最右边的环。例如,`11000`表示第1、2环在上面,第3-5环在下面。
操作规则
每次仅移动一个环,且移动后状态与原状态仅有一位不同。例如,从`11000`变为`11001`(第5环移动)或`11010`(第4环移动)。
二、二进制与格雷码的关联
格雷码生成
右侧一列的二进制数是十进制数0到21的格雷码。格雷码的特点是相邻两个数仅有一位不同,符合九连环每次移动仅改变一位的规则。
状态转换规律
- 初始状态为`111111111`(全1),对应格雷码`0`(二进制`000000000`)。
- 每次移动后,右侧二进制数按格雷码规则递增1,例如`000000000`→`000000001`→`000000011`等。
三、计算示例
以5环为例:
初始状态:`11000`(二进制)→ 反转次序:`00011`(二进制)→ 步数:1(二进制)→ 最终状态:`00011`(二进制)。
右侧二进制数`00011`对应十进制3,符合格雷码规律(`0→1→3`)。
四、总结
通过将九连环状态与格雷码对应,可高效计算每一步的移动。右侧二进制数既是操作记录,也符合格雷码的数学特性,简化了状态转换的逻辑。