递归算法设计

递归是程序设计中一个很重要的课题。用递归技术设计的算法简单明了。递归算法的设计与分析是算法设计与分析的一大类。

首先,需要了解子程序调用的内部操作。其内部实现为两个方面。

1. 在执行调用时,系统至少需要执行以下操作:

1) 返回地址进栈,同时在栈顶为被调子程序的局部变量开辟空间;

2)为被调子程序准备数据:计算实参值,并赋给对应的栈顶的形参;

3)将指令流转入被调子程序的入口处。

2. 在执行返回操作时,系统至少需要执行的操作包括:

1)若有变参或者函数,将其值保存到回传变量中;

2)从栈顶取出返回地址;

3)按返回地址返回;

4)若有变参或者函数,从回传变量中取出保存的值传送给相应的变量或者位置上。

递归过程是自己调用自己的代码,一个递归过程的执行类似于多个子程序的嵌套调用。

使用递归会带来一些开销(栈空间,函数调用等),可以在算法设计的初期阶段使用递归,一旦所涉及的递归算法被证明为正确且确信是个好算法是,可以消去递归,把该算法翻译成等价的迭代过程,其效率通常要比原递归模型高,进一步简化这程序可使效率再次提高。

满足以下条件的问题可以考虑使用递归求解

1)问题P的描述设计规模,即P(size);

2)规模发生变化之后,问题的性质不发生变化;

3)问题的解决有出口。

其表现形式为:

递归伪算法

典型递归问题

【n阶汉诺塔】

【棋子移动】有2n个棋子(n>=4)排成一行,白子用0代表,黑子用1代表,n=5时的初始状态为

0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 - - (右边至少有两个空位)

移动规则是:每次必须同时移动相邻两个棋子,颜色不限,移动方向不下;每次移动必须跳过若干棋子,不能调换两个棋子的位置。要求最后成为:

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

【求n个元素的全排列】

【自然数拆分】任何一个大于1的自然数,总可以拆分成若干个小于n的自然数之和,求所有的拆分。


递归算法的时间复杂度分析

根据递归算法的设计思路,可以建立算法时间复杂度的递归关系式,然后解方程求得算法的时间复杂度。

当递归关系式比较复杂时,若直接按递归关系实现算法,则算法的时间复杂度往往是非多项式时间,只是递归算法的一个不足。一种有效的解决办法是,利用数学解递归关系式,将结果或者中间过程编程实现,这样那个可以大大降低时间复杂度。

直接记住公式比较难,可以自己写递归关系式,然后试着解。比如:

n<=2, T(n)=C

n>2, T(n)=T(n-1)+T(n-2)

所以,T(n)<=2T(n-1)<=2^2T(n-2)<=...<=2^n-1T(1)=O(2^n)

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