Prednáška 9

Oznamy

Domáca úloha do utorka

• Časť bodov môžete dostať aj za neúplný program
• Na piatkových cvičeniach vám môžeme poradiť, ak máte otázky
• Nenechávajte všetku prácu na poslednú chvíľu

Cvičenia

• Dnes pribudne do cvičení ďalší príklad na rekurziu, v piatok bonusová rozcvička za jeden bod
• Bonusovú rozcvičku môžete riešiť od hocikade, ale len v čase piatkových cvičení
• Študentom, ktorí ešte nepracovali s rekurziou, odporúčame prísť na cvičenia v piatok
• V rekurzii pokračujeme aj budúci týždeň. Pondelkovú prednášku ľahšie pochopíte, ak si dovtedy vyriešite aspoň tieto dva ľahké rekurzívne príklady

Klasické úvodné príklady na rekurziu

Rekurzia je metóda, pri ktorej definujeme objekt (funkciu, pojem, . . . ) pomocou jeho samého.

Na začiatok sa pozrieme na klasické príklady algoritmov využívajúcich rekurziu.

Výpočet faktoriálu

Faktoriál prirodzeného čísla n značíme n! a je to súčin všetkých celých čísel od 1 po n. Pre úplnosť 0! definujeme ako 1.

Výpočet pomocou cyklu z prednášky 3:

int factorial(int n) {
    int result = 1;
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        result = result * i;
    }
    return result;
}

Rekurzívna definícia faktoriálu:

• n! = 1 ak n≤1
• n! = n ⋅ (n-1)! inak

Túto matematickú definíciu môžeme priamočiaro prepísať do rekurzívnej funkcie:

int factorial(int n) {
    if (n <= 1) return 1;
    else return n * factorial(n-1);
}

Aby sa rekurzia nezacyklila, mali by sme dodržiavať nasledujúce zásady:

• Rekurzívna funkcia musí obsahovať vetvu pre triviálny prípad niektorého vstupu. Táto vetva nebude obsahovať rekurzívne volanie funkcie, ktorú práve definujeme.
• Rekurzívne volanie funkcie by malo mať vhodne redukovaný niektorý vstup, aby sme sa časom dopracovali k triviálnemu prípadu.

Najväčší spoločný deliteľ (Euklidov algoritmus)

Ďalším tradičným príkladom na rekurziu je počítanie najväčšieho spoločného deliteľa.

• Euklidov algoritmus z prednášky 3 bol založený na rovnosti gcd(a,b) = gcd(b, a mod b)
• Tú sme použili v cykle:

int gcd(int a, int b) {
    while (b != 0) {
        int r = a % b;
        a = b;
        b = r;
    }
    return a;
}

Avšak opäť to isté môžeme ešte kratšie a elegantnejšie napísať rekurziou:

int gcd(int a, int b) {
   if (b == 0) return a;
   else return gcd(b, a % b);
}

Binárne vyhľadávanie

Aj binárne vyhľadávanie prvku v utriedenom poli z prednášky 7 sa dá pekne zapísať rekurzívne.

Pôvodná nerekurzívna funkcia vrátila polohu prvku x v poli a alebo hodnotou -1, ak sa tam nenachádzal:

int find(int a[], int n, int x) {
    int left = 0, right = n - 1;
    while (left <= right) {
        int index = (left + right) / 2;
        if (a[index] == x) {
            return index;
        }
        else if (a[index] < x) {
            left = index + 1;
        }
        else {
            right = index - 1;
        }
    }
    return -1;
}

V rekurzívnej verzii okraje aktuálneho úseku poľa posielame ako parametre:

int find(int a[], int left, int right, int x) {
    if (left > right) {
        return -1;
    }
    int index = (left + right) / 2;
    if (a[index] == x) {
        return index;
    }
    else if (a[index] < x) {
        return find(a, index+1, right, x);
    }
    else {
        return find(a, left, index - 1, x);
    }
}

Ak chceme vyhľadať x v poli a s n prvkami, voláme find(a, 0, n-1, x).

Na zamyslenie:

• Táto funkcia má dva triviálne (nerekurzívne) prípady. Ktoré?
• Aká veličina klesá v každom rekurzívnom volaní?

Zhrnutie

Pri rekurzii vyjadríme riešenie nejakej úlohy pomocou riešenia jednej alebo viacerých úloh toho istého typu, ale s menším vstupom plus ďalšie potrebné nerekurzívne výpočty

• výpočet n! vyjadríme pomocou výpočtu (n-1)! a násobenia
• výpočet gcd(a, b) vyjadríme pomocou výpočtu gcd(b, a % b)
• binárne vyhľadávanie v dlhšom intervale vyjadríme pomocou binárneho vyhľadávania v kratšom intervale

Všimnite si, že občas musíme zoznam parametrov nejakej funkcie rozšíriť pre potreby rekurzie

• napr. funkcia find by prirodzene dostávala pole a, dĺžku n a hľadaný prvok, ale kvôli rekurzii potrebuje ľavý a pravý okraj
• pre pohodlie užívateľa môžeme pridať pomocnú funkciu (wrapper):

int find(int a[], int n, int x) {
  return find(a, 0, n-1, x);
}

Viac o rekurzii

Nepriama rekurzia

• Všetky doteraz uvedené funkcie sú príkladom priamej rekurzie, kde definovaná funkcia používa seba samú priamo.
• V nepriamej rekurzii funkcia neodkazuje vo svojej definícii priamo na seba, ale využíva inú funkciu, ktorá sa odkazuje naspäť na prvú (všeobecnejšie sa kruh môže uzavrieť na viac krokov).
• Ilustračný príklad nižšie (veľmi neefektívne) testuje párnosť a nepárnosť čísla (párnosť je samozrejme lepšie testovať pomocou n % 2):
• Nakoľko vo funkcii vieme použiť len funkcie definované v programe nad ňou, máme tu problém. Vyriešime ho tzv, deklaráciou, kde napíšeme len hlavičku funkcie bez tela a telo dáme nižšie.

// deklaracia funkcie odd, aby sa dala pouzit v even
bool odd(int n);  

bool even(int n) {
    if (n == 0) return true;
    else return odd(n - 1);
}

bool odd(int n) {
    if (n == 0) return false;
    else return even(n - 1);
}

Rekurzia pomocou zásobníka - ako je rekurzia implementovaná

O rekurzívne volania sa stará zásobník volaní (call stack)

• Ide o všeobecnú štruktúru potrebnú aj v nerekurzívnych programoch s funkciami
• Po zavolaní nejakej funkcie f sa pre ňu vytvorí na zásobníku záznam, ktorý obsahuje všetky lokálne premenné a argumenty funkcie
• Keď potom z funkcie f zavoláme nejakú funkciu g (pričom v rekurzii môže byť aj f=g), tak sa vytvorí nový záznam pre g. Navyše v zázname pre f si uložíme aj to, v ktorom kroku sme prestali s výpočtom, aby sme vedeli správne pokračovať
• Po skončení výpočtu funkcie g sa jej záznam zruší zo zásobníka. Vrátime sa k záznamu pre funkciu f a pokračujeme vo výpočte so správnymi hodnotami všetkých premenných a od správneho miesta.

Záznamy v zásobníku si môžeme predstaviť uložené v stĺpci jeden nad druhým

• vrchný záznam je aktuálny, pre funkciu, ktorá sa vykonáva
• pod ním je záznam pre funkciu, ktorá ju volala atď
• na spodku je záznam pre funkciu main

Teraz si môžeme jednoduchý zásobník odsimulovať napríklad na výpočte faktoriálu, ktorý sme rozpísali na viac riadkov, aby sa nám simulácia lepšie robila.

// Pôvodná verzia
int factorial(int n) {
    if (n <= 1) return 1;
    else return n * factorial(n - 1);
}

// Rozpísaná verzia
int factorial(int n) {
    int result;
    if (n < 2) result = 1;
    else { 
       int rest = factorial(n - 1);  // rekurzia
       result = n * rest;
    }
    return result;
}

int main() {
   int f = factorial(3);
   cout << f << endl;
}

Zložitejšie príklady rekurzie

Každý z predchádzajúcich príkladov sme vedeli pomerne jednoducho zapísať aj bez rekurzie, aj keď rekurzívny výpočet bol často prehľadnejší, zrozumiteľnejší, kratší a krajší.

Ukážeme si však aj príklady, ktoré by sa bez rekurzie písali obtiažne (aj keď ako si neskôr ukážeme, rekurzia sa dá vždy odstrániť, v najhoršom prípade simuláciou zásobníka). Príklady, kde rekurzia veľmi pomáha, uvidíme na zvyšku dnešnej prednášky, ale aj na dvoch ďalších a k rekurzii sa vrátime aj neskôr v semestri a samozrejme na ďalších predmetoch.

Odbočka: korytnačia grafika v SVGdraw

Náš prvý dnešný príklad rekurzie budú rekurzívne obrázky, fraktály. Aby sa nám lepšie vykresľovali, v knižnici SVGdraw je možnosť kresliť pomocou korytnačej grafiky.

• Vytvoríme si virtuálnu korytnačku, ktorá má určitú polohu a natočenie.
• Môžeme jej povedať, aby sa otočila doľava alebo doprava o určitý počet stupňov (turtle.turnLeft(uhol) a turtle.turnRight(uhol)).
• Môžeme jej povedať, aby išla o určitú dĺžku dopredu (turtle.forward(dlzka))
• Keď ide korytnačka dopredu, zanecháva v piesku chvostom čiarku (vykreslí teda čiaru do nášho obrázku).

Napríklad na vykreslenie štvorca s dĺžkou strany 100 môžeme korytnačke striedavo prikazovať ísť o 100 dopredu a otáčať sa o 90 stupňov doľava.

• Na obrázku sa animuje pohyb korytnačky (pozri tu)
• Program by sa dal ľahko rozšíriť na vykresľovanie pravidelného n-uholníka (stačí zmeniť uhol otočenia a počet opakovaní cyklu)

#include "SVGdraw.h"

int main(void) {
    /* Vytvor korytnačku na súradniciach (25,175)
     * otočenú doprava na obrázku s rozmermi 200x200,
     * ktorý bude uložený v súbore stvorec.svg. */
    Turtle turtle(200, 200, "stvorec.svg", 25, 175, 0);

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        // vykresli čiaru dĺžky 150
        turtle.forward(150);  
        // otoč sa doľava o 90 stupňov 
        turtle.turnLeft(90);  
    }
    /* strany boli vykreslené v poradí 
     * dolná, pravá, horná, ľavá */

    /* Ukonči vypisovanie obrázka. */
    turtle.finish();
}

Fraktály

Fraktály sú útvary, ktorých časti na rôznych úrovniach zväčšenia sa podobajú na celý útvar. Mnohé fraktály vieme definovať a vykresliť pomocou jednoduchej rekurzie.

Kochova krivka

Príkladom fraktálu je Kochova krivka. Ako vzniká?

• Predstavme si úsečku, ktorá meria d centimetrov.
• Spravíme s ňou nasledujúcu transformáciu:
  • Úsečka sa rozdelí na tretiny a nad strednou tretinou sa zostrojí rovnostranný trojuholník. Základňa trojuholníka v krivke nebude.
  • Dostávame tak útvar pozostávajúci zo 4 úsečiek s dĺžkou d/3.
• Tú istú transformáciu môžeme teraz spraviť na každej zo 4 nových úsečiek, t.j. dostávame 16 úsečiek dĺžky d/9.
• Takéto transformácie môžeme robiť do nekonečna.

Druhá možnosť je popísať krivku pomocou dvoch parametrov: dĺžka d a stupeň n

• Kochova krivka stupňa 0 je úsečka dĺžky d
• Kochova krivka stupňa n pozostáva zo štyroch kriviek stupňa n-1 a dĺžky n/3
  • Na presný popis umiestnenia a natočenia týchto kriviek nižšieho stupňa použijeme korytnačiu grafiku, čo máme spravené vo funkcii nižšie.

 
#include "SVGdraw.h"

void drawKoch(double d, int n, Turtle& turtle){
    if (n==0) turtle.forward(d);
    else {
        drawKoch(d/3, n-1, turtle);
        turtle.turnLeft(60);
        drawKoch(d/3, n-1, turtle);
        turtle.turnRight(120);
        drawKoch(d/3, n-1, turtle);
        turtle.turnLeft(60);
        drawKoch(d/3, n-1, turtle);
    }
}

int main(void) {
    int width = 310; /* rozmery obrazku */
    int height = 150;

    double d = 300; /* velkost krivky */
    int n = 5; /* stupen krivky */

    /* Vytvor korytnačku otočenú doprava. */
    Turtle turtle(width, height, "fraktal.svg", 
                  1, height-10, 0);

    /* nakresli Kochovu krivku rekurzívne */
    drawKoch(d, n, turtle);

    /* Schovaj korytnačku. */
    turtle.finish();
}

Rekurzívny strom

A ešte jeden príklad fraktálu: strom definovaný nasledovne:

• strom má dva parametre: veľkosť d a stupeň n
• strom stupňa 0 je prázdna množina
• strom stupňa n pozostáva z kmeňa, ktorý tvorí úsečka dĺžky d a z dvoch podstromov, ktoré sú stromy stupňa n-1, veľkosti d/2 a otočené o 30 stupňov doľava a doprava od hlavnej osi stromu (pozri obrázky nižšie)

• 

  Strom stupňa 1

• 

  Strom stupňa 2

• 

  Strom stupňa 3

• 

  Strom stupňa 5

Rekurzívnu funkciu na vykresľovanie stromu napíšeme tak, aby sa po skončení vrátila na miesto a otočenie, kde začala

• Bez toho by sme nevedeli, kde korytnačka je po vykreslení ľavého podstromu a nemohli by sme teda kresliť pravý
• Korytnačka teda prejde po každej vetve dvakrát, raz smerom dopredu a raz naspäť (animácia)

#include "SVGdraw.h"

void drawTree(double d, int n, Turtle& turtle) {
    if (n == 0) {
        /* stupen 0 - nerob nic */
        return;  
    } else {
        /* kmen stromu */
        turtle.forward(d);              
        turtle.turnLeft(30);
        /* lava cast koruny */
        drawTree(d / 2, n - 1, turtle); 
        turtle.turnRight(60);
        /* prava cast koruny */
        drawTree(d / 2, n - 1, turtle); 
        turtle.turnLeft(30);
        /* navrat na spodok kmena */
        turtle.forward(-d);             
    }
}

int main(void) {
    /* rozmery obrazku */
    int width = 150; 
    int height = 200;

    /* velkost stromu */
    double d = 100; 
    /* stupen krivky */
    int n = 5; 

    /* vytvor korytnačku otočenú hore */
    Turtle turtle(width, height, "fraktal.svg", 
                  width / 2, height - 10, 90);

    /* nakresli strom rekurzívne */
    drawTree(d, n, turtle);

    /* schovaj korytnačku */
    turtle.finish();
}

Fibonacciho čísla

Fibonacciho postupnosť je postupnosť čísel taká, že:

• Nultý člen je 0.
• Prvý člen je 1.
• Každý ďalší člen postupnosti je daný súčtom dvoch predchádzajúcich.

Prvých niekoľko členov Fibonacciho postupnosti je

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, ...

Formálnejšiu definíciu n-tého Fibonacciho čísla F(n) môžeme zapísať ako rekurzívny vzťah:

• F(0) = 0,
• F(1) = 1,
• Pre všetky prirodzené čísla n ≥ 2: F(n) = F(n - 1) + F(n - 2).

Z tejto definície vieme opäť urobiť rekurzívnu funkciu jednoducho:

int fib(int n){
    if (n == 0) {
        return 0;
    } else if (n == 1) {
        return 1;
    } else {
        return fib(n - 1) + fib(n - 2);
    }
}

Fibonacciho čísla nerekurzívne

Jedna možnosť je ukladať F[0], F[1], ..., F[n] do poľa

• int fibonacci(int n) {
      int F[MAXN + 1];
      F[0] = 0;
      F[1] = 1;
      for(int i = 2; i <= n; i++) {
          F[i] = F[i-1] + F[i-2];
      }
      return F[n];
  }
  

Všimnite si ale, že z poľa vždy potrebujeme len posledné dve vyplnené čísla, takže stačili by nám dve premenné typu int.

int fibonacci(int n) {
    if (n == 0) {
        return 0;
    } else if (n == 1) {
        return 1;
    } else {
        int F_posledne = 1;
        int F_predposledne = 0;
        for (int i = 2; i <= n; i++) {
            int F_n = F_posledne + F_predposledne;
            F_predposledne = F_posledne;
            F_posledne = F_n;                     
        }
        return F_posledne;
    }
}

Cvičenie

Ako by sme bez počítača zistili, čo robí rekurzívna funkcia, napríklad takáto obmena Fibonacciho postupnosti?

int f(int n) {
    if (n <= 2) return 1;
    else return f(n-1) + f(n-3);
}

Ako pracuje rekurzívna verzia Fibonacciho čísel

• Rekurzívna verzia výpočtu Fibonacciho čísel je krátka a elegantná, podobá sa na matematickú definíciu
• Je ale neefektívna

• Skúsme napríklad odsimulovať, čo sa deje, ak chceme rekurzívne spočítať F[3]
• Kvôli prehľadnosti si rekurzívnu funkciu fib rozpíšeme na viac riadkov:

#include <iostream>
using namespace std;

int fib(int n) {
    if (n == 0) {
        return 0;
    } else if (n == 1) {
        return 1;
    } else {
        int a = fib(n - 1); // riadok (A)
        int b = fib(n - 2); // riadok (B)
        return a+b;
    }
}

int main() {
    int x = fib(3);       // riadok (C)
    cout << x << endl; 
}

Tu je priebeh programu (obsah zásobníka)

(1)          (2)                      (3)

                                       fib n=2
              fib n=3                  fib n=3, a=?, b=?, riadok A
main, x=?     main, x=?, riadok C      main, x=?, riadok C

(4)                             (5)
 
fib n=1                         
fib n=2, a=?, b=?, riadok A     fib n=2, a=1, b=?, riadok A
fib n=3, a=?, b=?, riadok A     fib n=3, a=?, b=?, riadok A
main, x=?, riadok C             main, x=?, riadok C             


(6)                             (7)
 
fib n=0                         
fib n=2, a=1, b=?, riadok B     fib n=2, a=1, b=0, riadok B
fib n=3, a=?, b=?, riadok A     fib n=3, a=?, b=?, riadok A
main, x=?, riadok C             main, x=?, riadok C             


(8)                             (9)

                                fib n=1
fib n=3, a=1, b=?, riadok A     fib n=3, a=1, b=?, riadok B 
main, x=?, riadok C             main, x=?, riadok C                 


(10)                            (11)

fib n=3, a=1, b=1, riadok B     
main, x=?, riadok C             main, x=2, riadok C 

Postupnosť volaní počas výpočtu vieme znázorniť aj stromovým diagramom:

Priamočiary rekurzívny zápis výpočtu Fibonacciho čísel je neefektívny, lebo výpočet Fibonacciho čísel sa opakuje

• Napr. pre n=5 počítame fib(2) trikrát, pre n=6 päťkrát a pre n=20 až 4181-krát