2022年高中信息技術(shù) 全國(guó)青少年奧林匹克聯(lián)賽教案 遞歸算法

2022年高中信息技術(shù) 全國(guó)青少年奧林匹克聯(lián)賽教案 遞歸算法遞歸算法的定義：如果一個(gè)對(duì)象的描述中包含它本身，我們就稱這個(gè)對(duì)象是遞歸的，這種用遞歸來描述的算法稱為遞歸算法。我們先來看看大家熟知的一個(gè)的故事：從前有座山，山上有座廟，廟里有個(gè)老和尚在給小和尚講故事，他說從前有座山，山上有座廟，廟里有個(gè)老和尚在給小和尚講故事，他說上面的故事本身是遞歸的，用遞歸算法描述：procedure bonze-tell-story；begin if 講話被打斷 then 故事結(jié)束 else begin從前有座山，山上有座廟，廟里有個(gè)老和尚在給小和尚講故事；bonze-tell-story；endend;從上面的遞歸事例不難看出，遞歸算法存在的兩個(gè)必要條件：（1） 必須有遞歸的終止條件；（2） 過程的描述中包含它本身；在設(shè)計(jì)遞歸算法中，如何將一個(gè)問題轉(zhuǎn)化為遞歸的問題，是初學(xué)者面臨的難題，下面我們通過分析漢諾塔問題，看看如何用遞歸算法來求解問題；遞歸算法應(yīng)用例1：漢諾塔問題，如下圖，有A、B、C三根柱子。A柱子上按從小到大的順序堆放了N個(gè)盤子，現(xiàn)在要把全部盤子從A柱移動(dòng)到C柱，移動(dòng)過程中可以借助B柱。移動(dòng)時(shí)有如下要求：（1） 一次只能移動(dòng)一個(gè)盤子；（2） 不允許把大盤放在小盤上邊；（3） 盤子只能放在三根柱子上；算法分析：當(dāng)盤子比較多的時(shí)，問題比較復(fù)雜，所以我們先分析簡(jiǎn)單的情況：如果只有一個(gè)盤子，只需一步，直接把它從A柱移動(dòng)到C柱；如果是二個(gè)盤子，共需要移動(dòng)3步:（1） 把A柱上的小盤子移動(dòng)到B柱;（2） 把A柱上的大盤子移動(dòng)到C柱；（3） 把B柱上的大盤子移動(dòng)到C柱；如果N比較大時(shí)，需要很多步才能完成，我們先考慮是否能把復(fù)雜的移動(dòng)過程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的移動(dòng)過程，如果要把A柱上最大的盤子移動(dòng)到C柱上去，必須先把上面的N-1個(gè)盤子從A柱移動(dòng)到B柱上暫存，按這種思路，就可以把N個(gè)盤子的移動(dòng)過程分作3大步：（1） 把A柱上面的N-1個(gè)盤子移動(dòng)到B柱；（2） 把A柱上剩下的一個(gè)盤子移動(dòng)到C柱；（3） 把B柱上面的N-1個(gè)盤子移動(dòng)到C柱；其中N-1個(gè)盤子的移動(dòng)過程又可按同樣的方法分為三大步，這樣就把移動(dòng)過程轉(zhuǎn)化為一個(gè)遞歸的過程，直到最后只剩下一個(gè)盤子，按照移動(dòng)一個(gè)盤子的方法移動(dòng)，遞歸結(jié)束。遞歸過程：procedure Hanoi(N,A,B,C:integer;)；以B柱為中轉(zhuǎn)柱將N個(gè)盤子從A柱移動(dòng)到C柱begin if N=1 then write(A,->,C)把盤子直接從A移動(dòng)到Celse begin Hanoi(N-1,A,C,B)； 以C柱為中轉(zhuǎn)柱將N-1個(gè)盤子從A柱移動(dòng)到B柱 write(A,->,C)；把剩下的一個(gè)盤子從A移動(dòng)到C Hanoi(N-1,B,A,C)； 以A柱為中轉(zhuǎn)柱將N-1個(gè)盤子從B柱移動(dòng)到C柱end;end;從上面的例子我們可以看出，在使用遞歸算法時(shí)，首先弄清楚簡(jiǎn)單情況下的解法，然后弄清楚如何把復(fù)雜情況歸納為更簡(jiǎn)單的情況。在信息學(xué)奧賽中有的問題的結(jié)構(gòu)或所處理的數(shù)據(jù)本身是遞歸定義的，這樣的問題非常適合用遞歸算法來求解，對(duì)于這類問題，我們把它分解為具有相同性質(zhì)的若干個(gè)子問題，如果子問題解決了，原問題也就解決了。例2求先序排列 (NOIPxxpj)問題描述給出一棵二叉樹的中序與后序排列。求出它的先序排列。(約定樹結(jié)點(diǎn)用不同的大寫字母表示，長(zhǎng)度8)。樣例 輸入：BADC BDCA   輸出：ABCD算法分析：我們先看看三種遍歷的定義：先序遍歷是先訪問根結(jié)點(diǎn)，再遍歷左子樹，最后遍歷右子樹；中序遍歷是先遍歷左子樹，再訪問根結(jié)點(diǎn)，最后遍歷右子樹；后序遍歷是先遍歷左子樹，再遍歷右子樹，最后訪問根結(jié)點(diǎn)；從遍歷的定義可知，后序排列的最后一個(gè)字符即為這棵樹的根節(jié)點(diǎn)；在中序排列中，根結(jié)點(diǎn)前面的為其左子樹，根結(jié)點(diǎn)后面的為其右子樹；我們可以由后序排列求得根結(jié)點(diǎn)，再由根結(jié)點(diǎn)在中序排列的位置確定左子樹和右子樹，把左子樹和右子樹各看作一個(gè)單獨(dú)的樹。這樣，就把一棵樹分解為具有相同性質(zhì)的二棵子樹，一直遞歸下去，當(dāng)分解的子樹為空時(shí)，遞歸結(jié)束，在遞歸過程中，按先序遍歷的規(guī)則輸出求得的各個(gè)根結(jié)點(diǎn)，輸出的結(jié)果即為原問題的解。源程序program noipxx_3; varz,h : string; procedure make(z,h:string); z為中序排列,h為后序排列vars,m : integer; begin m:=length(h);m為樹的長(zhǎng)度write(hm); 輸出根節(jié)點(diǎn)s:=pos(hm,z); 求根節(jié)點(diǎn)在中序排列中的位置if s>1 then make(copy(z,1,s-1),copy(h,1,s-1); 處理左子樹if m>s then make(copy(z,s+1,m-s),copy(h,s,m-s); 處理右子樹end; begin readln(z); readln(h); make(z,h); end.遞歸算法不僅僅是用于求解遞歸描述的問題，在其它很多問題中也可以用到遞歸思想，如回溯法、分治法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等算法中都可以使用遞歸思想來實(shí)現(xiàn)，從而使編寫的程序更加簡(jiǎn)潔。比如上期回溯法所講的例2數(shù)的劃分問題，若用遞歸來求解，程序非常短小且效率很高，源程序如下var n,k:integer; tol:longint;procedure make(sum,t,d:integer);var i:integer;begin if d=k then inc(tol) else for i:=t to sum div 2 do make(sum-i,i,d+1);end;begin readln(n,k);tol:=0; make(n,1,1); writeln(tol);end.有些問題本身是遞歸定義的，但它并不適合用遞歸算法來求解，如斐波那契(Fibonacci)數(shù)列，它的遞歸定義為：F(n)=1   (n=1,2)F(n)=F(n-2)+F(n-1) (n>2)用遞歸過程描述為：Funtion fb(n:integer):integer;Begin if n<3 then fb:=1 else fb:=fb(n-1)+fb(n-2);End;上面的遞歸過程，調(diào)用一次產(chǎn)生二個(gè)新的調(diào)用，遞歸次數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，時(shí)間復(fù)雜度為O（2n）,把它改為非遞歸：x:=1;y:=1;for i:=3 to n dobegin z:=y;y:=x+y;x:=z;end;修改后的程序，它的時(shí)間復(fù)雜度為O（n）。我們?cè)诰帉懗绦驎r(shí)是否使用遞歸算法，關(guān)鍵是看問題是否適合用遞歸算法來求解。由于遞歸算法編寫的程序邏輯性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)清晰，正確性易于證明，程序調(diào)試也十分方便，在NOIP中，數(shù)據(jù)的規(guī)模一般也不大，只要問題適合用遞歸算法求解，我們還是可以大膽地使用遞歸算法。