数据结构与算法——递归和分治

2023-05-16

数据结构与算法

  • 递归
    • 斐波那契数列的递归实现
  • 分治

递归

在现实当中,我们只有在迫不得已的情况下才使用递归,因为递归本身的效率并不理想,但他的思想却值得我们留存在记忆之中。

斐波那契数列的递归实现

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使用递归实现上述问题

int Fib(int i)
{
	if(i < 2)
	return i == 0 ? 0 : 1;
	return Fib(i-1)+ Fib(i-2);
}

每个递归定义必须至少有一个条件,当满足这个条件时递归不再进行,即函数不再调用自身而是返回。

例题一:写一个函数,输入n,求斐波那契数列的第n项。

//第一要素:明确你这个函数想要干什么
//函数功能:计算斐波那契数列的第n项
long long Fibonacci(unsigned int n)
{
    //第二要素:寻找递归结束条件
    if( n <= 1)
        return i == 0 ? 0 : 1;
    //第三要素:找出函数的等价关系式
    return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}

上面的递归实现效率太低,原因在于我们在求斐波那契数列第n项的时候,中间计算了很多重复项,而且是不必要的计算,如下图的递归树:
在这里插入图片描述
改进的方法:使用迭代

long long Fibonacci(unsigned int n)
{
    int result[2] = {0,1};
    if(n < 2)
        return result[n];
    
    long long fibNumOne = 1;
    long long fibNumTwo = 0;
    long long fibN = 0;
    for(int i = 2; i <= n; i++)
    {
   		fibN = fibNumOne + fibNumTwo;
        fibNumTwo = fibNumOne; 
        fibNumOne = fibN;  //移动位置
    }
    return fibN;
}

例题二:写一个函数,输入n,求n的阶乘n!。

//第一要素:明确你这个函数想要干什么
//函数功能:计算n的阶乘
long long f(unsigned int n)
{
	//第二要素:寻找递归的结束条件
	if(n <= 2)
		return n;
	//第三要素:找出函数的等价关系式
	return n * f(n-1);
}

例题三:一只青蛙一次可以跳上1级台阶,也可以跳上2级。求该青蛙跳上一个n级的台阶总共有多少种跳法。

//第一要素:明确你这个函数想要干什么
//函数功能:计算青蛙跳上一个n级的台阶总共有多少种跳法
long long jump(unsigned int n)
{
	//第二要素:寻找递归结束条件
    if( n <= 2)
        return n;
    //第三要素:找出函数的等价关系式
    return jump(n - 1) + jump(n - 2);
}

例题四:编写一个递归函数,实现将输入的任意长度的字符串反向输出的功能。

//第一要素:明确你这个函数想要干什么
//函数功能:将输入的任意长度的字符串反向输出
void print()
{
    char a;
    scanf("%c", &a);

    //第三要素:找出函数的等价关系式
    if( a != '#') print();
    //第二要素:寻找递归结束条件,#表示递归结束,进行返回输出。
    if( a != '#') printf( "%c", a);
}

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分治

折半查找法是一种常用的查找方法,该方法通过不断缩小一半的查找范围,直到达到目的,所以效率比较高。

线性检索和二分检索求 1 的位置:
在这里插入图片描述
线性检索和二分检索求 23 的位置:
在这里插入图片描述
例题背景:一位法国数学家曾编写过一个印度的古老传说:在世界中心贝纳勒斯的圣庙里,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小到大的64片金片,这就是所谓的汉诺塔。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。将X的盘子移到Z上
在这里插入图片描述
这其实也是一个经典的递归问题。我们可以做这样的考虑:

  • 先将前63个盘子移动到Y上,确保大盘在小盘下。
  • 再将最底下的第64个盘子移动到Z上。
  • 最后将Y上的63个盘子移动到Z上。

例题五:编程实现汉诺塔的移动过程

#include <stdio.h>
//第一要素:明确你这个函数想要干什么
// 函数功能:将 n 个盘子从 x 借助 y 移动到 z
void move(int n, char x, char y, char z)
{
    //第二要素:寻找递归结束条件,当n=1时,直接将盘子从x移动到z
  if( 1 == n )
  {
    printf("%c-->%c\n", x, z);
  }
  else
  {
        //第三要素:找出函数的等价关系式,并不考虑具体的移动过程,仅考虑完成任务
    move(n-1, x, z, y); // 将 n-1 个盘子从x借助z移到y上
    printf("%c-->%c\n", x, z);// 将第n个盘子从x移到z上
    move(n-1, y, x, z); // 将 n-1 个盘子从y借助x移到z上
  }
}

int main()
{
  int n;

  printf("请输入汉诺塔的层数: ");
  scanf("%d", &n);
  printf("移动的步骤如下: \n");
  move(n, 'X', 'Y', 'Z');

  return 0;
}
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