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Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Faculdade de Ciências Aplicadas Limeira 2020 JOSÉ RENATO BARBIERI FILHO A MATEMÁTICA APLICADA AOS JOGOS: Torre de Hanói Resumo O texto tem como objetivo explorar alguns conceitos matemáticos que podem ser observados na torre de Hanói. O desafio é muito conhecido e foi até utilizado em um filme. Ele aparece em “Planeta dos macacos: A origem”, na cena o jogo é utilizado pelos pesquisadores para avaliar a capacidade cognitiva de um dos macacos que recebe o medicamento da inteligência. O jogo consiste em reagrupar discos de diferentes raios em três hastes fixas, de modo que ao iniciar o desafio sejam respeitadas duas regras básicas. Apresentaremos também algumas curiosidades e como esse desafio se originou, demonstraremos as regras e os princípios utilizando ilustrações que facilitarão a compreensão. Orientador: Prof. Dr. Ricardo Miranda Martins Introdução A torre de Hanói é um jogo de raciocínio logico muito conhecido. Existem muitas lendas sobre a sua existência, mas o seu criador foi um matemático francês chamado Edouard Lucas, tendo sido publicado oficialmente em 1883. A lenda mais famosa acerca do seu surgimento é sobre um desafio que Brama (um deus muito importante para o hinduísmo) teria proposto aos monges de um templo Hindu. O desafio consistia em reagrupar 64 discos de ouro de tamanhos diferentes numa outra haste que não fosse a inicial, com o auxílio de uma terceira haste. O desafio teria sido utilizado para aumentar a disciplina mental desses monges. Estrutura e regras O desafio consiste em reagrupar os discos respeitando sua ordem original, discos menores em cima dos maiores, o desafio pode conter um número variado de discos começando com o desafio mais fácil de ser realizado com 2 discos. Abaixo temos uma imagem que ilustra a forma que o jogo possui Figura 1 Como podemos observar o jogo contem três pinos fixos separados entre si, um deles contém todos os discos posicionados sempre com o maior disco abaixo dos menores (pino destacado como o número 2), seguindo a ordem. O objetivo é reagrupar esses discos em qualquer um dos outros pinos (pinos 1 ou 3), mas deve-se movimentar apenas um disco de cada vez. No exemplo acima trouxemos um desafio que possui 6 discos, nesse caso o nível de dificuldade já é alto, mas poderemos ter torres de Hanói com uma grande variedade na quantidade discos. Exemplo de jogabilidade Para que possamos apresentar as regras detalhadamente abaixo teremos uma ilustração da torre de Hanói com 3 discos e o passo a passo para a conclusão. Aqui temos um exemplo clássico com a torre de Hanói de três discos, aqui o objetivo é transferir os discos vermelho, amarelo e verde para um dos outros dois pinos (2 ou 3). Porém, de modo que ao deslocar os discos (os movimentos devem ser feitos um a um) e nenhum disco maior deve sobrepor um menor. O primeiro movimento deve necessariamente ser feito com o disco vermelho, que está localizado no topo da torre. Você pode escolher um dos dois pinos que não possuem nenhum disco. Movimento número 1 Escolhemos movimentar o disco vermelho para o pino número “2” deste modo ao terminar o desafio os discos serão reagrupados ao meio. O próximo movimento será movimentar o disco amarelo. Movimento número 2: Veja que caso o disco amarelo fosse movimentado para o pino “2”, nós estaríamos desrespeitando a regra de não nunca colocar um disco maior sobre um disco menor, então o pino correto foi o número “3”. Movimento número 3. Neste momento a única saída possível para tirar o disco verde da posição inicial foi abrir caminho tirando o disco vermelho da sua posição o colocando no pino número 3, desta forma nenhuma regra foi desrespeitada, pois, o disco vermelho é menor que o amarelo. Movimento número 4 Agora com o pino número 2 liberado pudemos deslocar o disco verde para o centro, e, com o último disco que faltava fora da posição inicial, poderemos movimentar os discos com o objetivo de reagrupá-los de forma decrescente. Movimento número 5 O que fizemos agora foi movimentar o disco vermelho para o pino número 1, liberando o disco amarelo para ser movimentado para o centro. Movimento número 6 Com o disco amarelo liberado pudemos movimentá-lo para o pino número 2 de forma que realizando o último movimento que é deslocar o último disco (vermelho) fara com que completemos o desafio da torre de Hanói de 3 discos. Movimento número 7 e... pronto! Completamos o desafio, fácil não é. Agora já podemos aumentar o número de discos aumentando dessa maneira a dificuldade. Princípios matemáticos presente no desafio O desafio possui um número mínimo de movimentos para cumprir o objetivo como observamos no exemplo intuitivo acima. Mas com a tabela de movimentos trazida abaixo poderemos perceber que os movimentos mínimos para realizar o desafio tem uma relação bastante interessante com o número de discos usados. Quantidade de discos (d) Quantidade mínima de movimentos (N) 2 3 3 7 4 15 5 31 Ao analisarmos a reação entre o número de discos e a quantidade de movimentos necessários para realizar o desafio, percebemos que existe uma função que a define. Perceba, analisando a relação entre o número de discos com o número de movimentos mínimos necessários, podemos atribuir a seguinte função: 𝑛 = 2𝑑 − 1 Onde “n” representa o número de movimentos e “d” representa o número de discos. Desta forma contando o número de discos presente no desafio que estejamos realizando poderemos descobrir qual a quantidade mínima de movimentos necessárias para completa-lo. Em matemática isto recebe o nome de indução finita. Agora veja esta função aplicada a tabela acima: Quantidade de discos (d) Quantidade mínima de movimentos (N) 2 3 3 7 4 15 5 31 Conclusão A torre de Hanói pode ser um ótimo exercício para o cérebro, possui regras extremamente simples e intuitivas como pudemos ver acima e pode ser um bom desafio de raciocínio lógico para pessoas de diferentes idades. Mas ele também pode se tornar um exercício bastante complicado quando simplesmente aumentamos o número de discos, por possuir o número de movimentos mínimos necessários para completar o desafio a função destacada acima. Dessa forma conseguimos aplica-lá e descobrir o número de movimentos mínimos para cada jogo com diferentes quantidades de discos.