4. Рекуррентные соотношения. Рекурсия и итерация

Говорят, что последовательность векторов   задана рекуррентным соотношением, если задан начальный вектор   и функциональная зависимость последующего вектора от предыдущего

Простым примером величины, вычисляемой с помощью рекуррентных соотношений, является факториал

Очередной факториал   можно вычислить по предыдущему как:

Введя обозначение   , получим соотношение:

Вектора   из формулы (1) можно интерпретировать как наборы значений переменных. Тогда вычисление требуемого элемента последовательности будет состоять в повторяющемся обновлении их значений. В частности для факториала:

1 2 3 4

x := 1; for i := 2 to n do   x := x * i; writeln(x);

Каждое такое обновление (x := x * i) называется итерацией, а процесс повторения итераций – итерированием.

Обратим, однако, внимание, что соотношение (1) является чисто рекурсивным определением последовательности и вычисление n-го элемента есть на самом деле многократное взятие функции f от самой себя:

В частности для факториала можно написать:

1 2 3 4 5 6 7

function Factorial(n: integer): integer; begin   if n > 1 then     Factorial := n * Factorial(n-1)   else     Factorial := 1; end;

Следует понимать, что вызов функций влечет за собой некоторые дополнительные накладные расходы, поэтому первый вариант вычисления факториала будет несколько более быстрым. Вообще итерационные решения работают быстрее рекурсивных.

Прежде чем переходить к ситуациям, когда рекурсия полезна, обратим внимание еще на один пример, где ее использовать не следует.

Рассмотрим частный случай рекуррентных соотношений, когда следующее значение в последовательности зависит не от одного, а сразу от нескольких предыдущих значений. Примером может служить известная последовательность Фибоначчи, в которой каждый следующий элемент есть сумма двух предыдущих:

При «лобовом» подходе можно написать:

1 2 3 4 5 6 7

function Fib(n: integer): integer; begin   if n > 1 then     Fib := Fib(n-1) + Fib(n-2)   else     Fib := 1; end;

Каждый вызов Fib создает сразу две копии себя, каждая из копий – еще две и т.д. Количество операций растет с номером n экспоненциально, хотя при итерационном решении достаточно линейного по n количества операций.

На самом деле, приведенный пример учит нас не КОГДА рекурсию не следует использовать, а тому КАК ее не следует использовать. В конце концов, если существует быстрое итерационное (на базе циклов) решение, то тот же цикл можно реализовать с помощью рекурсивной процедуры или функции. Например:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

// x1, x2 – начальные условия (1, 1) // n – номер требуемого числа Фибоначчи function Fib(x1, x2, n: integer): integer; var   x3: integer; begin   if n > 1 then   begin     x3 := x2 + x1;     x1 := x2;     x2 := x3;     Fib := Fib(x1, x2, n-1);   end else     Fib := x2; end;

И все же итерационные решения предпочтительны. Спрашивается, когда же в таком случае, следует пользоваться рекурсией?

Любые рекурсивные процедуры и функции, содержащие всего один рекурсивный вызов самих себя, легко заменяются итерационными циклами. Чтобы получить что-то, не имеющее простого нерекурсивного аналога, следует обратиться к процедурам и функциям, вызывающим себя два и более раз. В этом случае множество вызываемых процедур образует уже не цепочку, как на рис. 1, а целое дерево. Существуют широкие классы задач, когда вычислительный процесс должен быть организован именно таким образом. Как раз для них рекурсия будет наиболее простым и естественным способом решения.[8]