ACM培训第四讲-递归

ACM程序设计第四讲-递归湖南工学院张新玉[e-mail]算法总体思想•将求出的小规模的问题的解合并为一个更大规模的问题的解，自底向上逐步求出原来问题的解。nT(n)=n/2T(n/4)T(n/4)T(n/4)T(n/4)n/2T(n/4)T(n/4)T(n/4)T(n/4)n/2T(n/4)T(n/4)T(n/4)T(n/4)n/2T(n/4)T(n/4)T(n/4)T(n/4)分治法的设计思想是，将一个难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小的相同问题，以便各个击破，分而治之。凡治众如治寡，分数是也。----孙子兵法递归的概念•直接或间接地调用自身的算法称为递归算法。用函数自身给出定义的函数称为递归函数。•由分治法产生的子问题往往是原问题的较小模式，这就为使用递归技术提供了方便。在这种情况下，反复应用分治手段，可以使子问题与原问题类型一致而其规模却不断缩小，最终使子问题缩小到很容易直接求出其解。这自然导致递归过程的产生。•分治与递归像一对孪生兄弟，经常同时应用在算法设计之中，并由此产生许多高效算法。下面来看几个实例。递归例1阶乘函数阶乘函数可递归地定义为：00)!1(1!nnnnn边界条件递归方程边界条件与递归方程是递归函数的二个要素，递归函数只有具备了这两个要素，才能在有限次计算后得出结果。递归例2Fibonacci数列无穷数列1，1，2，3，5，8，13，21，34，55，…，被称为Fibonacci数列。它可以递归地定义为：边界条件递归方程110)2()1(11)(nnnnFnFnF第n个Fibonacci数可递归地计算如下：publicstaticintfibonacci(intn){if(n=1)return1;returnfibonacci(n-1)+fibonacci(n-2);}递归例3Ackerman函数当一个函数及它的一个变量是由函数自身定义时，称这个函数是双递归函数。Ackerman函数A(n，m)定义如下：1,20)1),,1((),(2)0,(1),0(2)0,1(mnnmmmnAAmnAnnAmAA递归例3Ackerman函数前2例中的函数都可以找到相应的非递归方式定义：nnn)1(321!1125125151)(nnnF但本例中的Ackerman函数却无法找到非递归的定义。递归例3Ackerman函数•A(n，m)的自变量m的每一个值都定义了一个单变量函数：•M=0时，A(n,0)=n+2•M=1时，A(n,1)=A(A(n-1,1),0)=A(n-1,1)+2，和A(1,1)=2故A(n,1)=2*n•M=2时，A(n,2)=A(A(n-1,2),1)=2A(n-1,2)，和A(1,2)=A(A(0,2),1)=A(1,1)=2，故A(n,2)=2^n。•M=3时，类似的可以推出•M=4时，A(n,4)的增长速度非常快，以至于没有适当的数学式子来表示这一函数。n2222练习•趣味问题——年龄。有5个人坐在一起，问第五个人多少岁？他说比第4个人大2岁。问第4个人岁数，他说比第3个人大2岁。问第三个人，又说比第2人大两岁。问第2个人，说比第一个人大两岁。最后问第一个人，他说是10岁。请问第五个人多大？用递归算法实现。2.1递归的概念例4排列问题设计一个递归算法生成n个元素{r1,r2,…,rn}的全排列非递归算法：字典序法[例]字符集{1,2,3},较小的数字较先,这样按字典序生成的全排列是:123,132,213,231,312,321。递归例4排列问题设计一个递归算法生成n个元素{r1,r2,…,rn}的全排列。设R={r1,r2,…,rn}是要进行排列的n个元素，Ri=R-{ri}。集合X中元素的全排列记为perm(X)。(ri)perm(X)表示在全排列perm(X)的每一个排列前加上前缀得到的排列。R的全排列可归纳定义如下：当n=1时，perm(R)=(r)，其中r是集合R中唯一的元素；当n1时，perm(R)由(r1)perm(R1)，(r2)perm(R2)，…，(rn)perm(Rn)构成。递归例5整数划分问题将正整数n表示成一系列正整数之和：n=n1+n2+…+nk，其中n1≥n2≥…≥nk≥1，k≥1。正整数n的这种表示称为正整数n的划分。求正整数n的不同划分个数。例如正整数6有如下11种不同的划分：6；5+1；4+2，4+1+1；3+3，3+2+1，3+1+1+1；2+2+2，2+2+1+1，2+1+1+1+1；1+1+1+1+1+1。(2)q(n,m)=q(n,n),mn;最大加数n1实际上不能大于n。因此，q(1,m)=1。(1)q(n,1)=1,n1;当最大加数n1不大于1时，任何正整数n只有一种划分形式，即nn111(4)q(n,m)=q(n,m-1)+q(n-m,m),nm1;正整数n的最大加数n1不大于m的划分由n1=m的划分和n1≤n-1的划分组成。(3)q(n,n)=1+q(n,n-1);正整数n的划分由n1=n的划分和n1≤n-1的划分组成。递归例5整数划分问题前面的几个例子中，问题本身都具有比较明显的递归关系，因而容易用递归函数直接求解。在本例中，如果设p(n)为正整数n的划分数，则难以找到递归关系，因此考虑增加一个自变量：将最大加数n1不大于m的划分个数记作q(n,m)。可以建立q(n,m)的如下递归关系。11,1),()1,()1,(1),(1),(mnmnmnmnmmnqmnqnnqnnqmnq递归例5整数划分问题前面的几个例子中，问题本身都具有比较明显的递归关系，因而容易用递归函数直接求解。在本例中，如果设p(n)为正整数n的划分数，则难以找到递归关系，因此考虑增加一个自变量：将最大加数n1不大于m的划分个数记作q(n,m)。可以建立q(n,m)的如下递归关系。正整数n的划分数p(n)=q(n,n)。递归例6Hanoi塔问题设a,b,c是3个塔座。开始时，在塔座a上有一叠共n个圆盘，这些圆盘自下而上，由大到小地叠在一起。各圆盘从小到大编号为1,2,…,n,现要求将塔座a上的这一叠圆盘移到塔座b上，并仍按同样顺序叠置。在移动圆盘时应遵守以下移动规则：规则1：每次只能移动1个圆盘；规则2：任何时刻都不允许将较大的圆盘压在较小的圆盘之上；规则3：在满足移动规则1和2的前提下，可将圆盘移至a,b,c中任一塔座上。在问题规模较大时，较难找到一般的方法，因此我们尝试用递归技术来解决这个问题。当n=1时，问题比较简单。此时，只要将编号为1的圆盘从塔座a直接移至塔座b上即可。当n＞1时，需要利用塔座c作为辅助塔座。此时若能设法将n-1个较小的圆盘依照移动规则从塔座a移至塔座c，然后，将剩下的最大圆盘从塔座a移至塔座b，最后，再设法将n-1个较小的圆盘依照移动规则从塔座c移至塔座b。由此可见，n个圆盘的移动问题可分为2次n-1个圆盘的移动问题，这又可以递归地用上述方法来做。由此可以设计出解Hanoi塔问题的递归算法如下。递归例6Hanoi塔问题publicstaticvoidhanoi(intn,inta,intb,intc){if(n0){hanoi(n-1,a,c,b);move(a,b);hanoi(n-1,c,b,a);}}课堂练习-基础：•转转相除法求最大公约数课堂练习-题目1：•问题描述：大于1的正整数n可以分解成为n=x1*x2*x3…*xn•例如，当n=12时，共有8种不同的分解式•12=12*1•12=6*2•12=4*3•12=3*412=3*2*2•12=2*612=2*3*212=2*2*3•输入n，求n的整数因子分解2020/1/119•甲、乙两人同时从A地出发要尽快同时赶到B地。出发时A地有一辆小车，可是这辆小车除了驾驶员外只能带一人。已知甲、乙两人的步行速度一样，且小于车的速度。问：怎样利用小车才能使两人尽快同时到达•【输入】•仅一行，三个数据分别表示AB两地的距离s，人的步行速度a，车的速度b。•【输出】•两人同时到达B地需要的最短时间。•【样例】输入：120525输出9.6000000000E+00课堂练习-题目2：今盒子里有n个小球，A、B两人轮流从盒中取球，每个人都可以看到另一个人取了多少个，也可以看到盒中还剩下多少个，并且两人都很聪明，不会做出错误的判断。我们约定：每个人从盒子中取出的球的数目必须是：1，3，7或者8个。轮到某一方取球时不能弃权！A先取球，然后双方交替取球，直到取完。被迫拿到最后一个球的一方为负方（输方）请编程确定出在双方都不判断失误的情况下，对于特定的初始球数，A是否能赢？课堂练习-题目3：输入：•４•１•２•10•18输出：•0•1•1•0课堂练习-题目3：课后作业•1.完成课上的例题和练习题•2.HDU：•1028，1650，2018，2042，2044•2045，2047，2049，2585，44722020/1/123