c 递归下降识别程序_看动画轻松理解递归与动态规划
在學習「數據結構和算法」的過程中，因為人習慣了平鋪直敘的思維方式，所以「遞歸」與「動態規劃」這種帶循環概念(繞來繞去)的往往是相對比較難以理解的兩個抽象知識點。
程序員小吳打算使用動畫的形式來幫助理解「遞歸」，然后通過「遞歸」的概念延伸至理解「動態規劃」算法思想。
什么是遞歸
先下定義：遞歸算法是一種直接或者間接調用自身函數或者方法的算法。
通俗來說，遞歸算法的實質是把問題分解成規?？s小的同類問題的子問題，然后遞歸調用方法來表示問題的解。它有如下特點：
1. 一個問題的解可以分解為幾個子問題的解
2. 這個問題與分解之后的子問題，除了數據規模不同，求解思路完全一樣
3. 存在遞歸終止條件，即必須有一個明確的遞歸結束條件，稱之為遞歸出口
通過動畫一個一個特點來進行分析。
1.一個問題的解可以分解為幾個子問題的解
子問題就是相對與其前面的問題數據規模更小的問題。
在動圖中①號問題(一塊大區域)劃分為②號問題，②號問題由兩個子問題(兩塊中區域)組成。
2. 這個問題與分解之后的子問題，除了數據規模不同，求解思路完全一樣
「①號劃分為②號」與「②號劃分為③號」的邏輯是一致的，求解思路是一樣的。
3. 存在遞歸終止條件，即存在遞歸出口
把問題分解為子問題，把子問題再分解為子子問題，一層一層分解下去，不能存在無限循環，這就需要有終止條件。
①號劃分為②號，②號劃分為③號，③號劃分為④號，劃分到④號的時候每個區域只有一個不能劃分的問題，這就表明存在遞歸終止條件。
從遞歸的經典示例開始
一.數組求和
數組求和1Sum(arr[0...n-1])?=?arr[0]?+?Sum(arr[1...n-1])后面的 Sum 函數要解決的就是比前一個 Sum 更小的同一問題。
1Sum(arr[1...n-1])?=?arr[1]?+?Sum(arr[2...n-1])以此類推，直到對一個空數組求和，空數組和為 0 ，此時變成了最基本的問題。
1Sum(arr[n-1...n-1]?)?=?arr[n-1]?+?Sum([])二.漢諾塔問題
漢諾塔(Hanoi Tower)問題也是一個經典的遞歸問題，該問題描述如下：
漢諾塔問題：古代有一個梵塔，塔內有三個座A、B、C，A座上有64個盤子，盤子大小不等，大的在下，小的在上。有一個和尚想把這個盤子從A座移到B座，但每次只能允許移動一個盤子，并且在移動過程中，3個座上的盤子始終保持大盤在下，小盤在上。
兩個盤子三個盤子① ?如果只有 1 個盤子，則不需要利用 B 塔，直接將盤子從 A 移動到 C 。
② 如果有 2 個盤子，可以先將盤子 2 上的盤子 1 移動到 B ；將盤子 2 移動到 C ；將盤子 1 移動到 C 。這說明了：可以借助 B 將 2 個盤子從 A 移動到 C ，當然，也可以借助 C 將 2 個盤子從 A 移動到 B 。
③ 如果有 3 個盤子，那么根據 2 個盤子的結論，可以借助 C 將盤子 3 上的兩個盤子從 A 移動到 B ；將盤子 3 從 A 移動到 C ，A 變成空座；借助 A 座，將 B 上的兩個盤子移動到 C 。
④ 以此類推，上述的思路可以一直擴展到 n 個盤子的情況，將將較小的 n-1個盤子看做一個整體，也就是我們要求的子問題，以借助 B 塔為例，可以借助空塔 B 將盤子A上面的 n-1 個盤子從 A 移動到 B ；將A 最大的盤子移動到 C ， A 變成空塔；借助空塔 A ，將 B 塔上的 n-2 個盤子移動到 A，將 B 最大的盤子移動到 C， B 變成空塔。。。
三.爬臺階問題
問題描述：
一個人爬樓梯，每次只能爬1個或2個臺階，假設有n個臺階，那么這個人有多少種不同的爬樓梯方法？
先從簡單的開始，以 4 個臺階為例，可以通過每次爬 1 個臺階爬完樓梯：
每次爬 1 個臺階可以通過先爬 2 個臺階，剩下的每次爬 1 個臺階爬完樓梯
先爬 2 個臺階在這里，可以思考一下：可以根據第一步的走法把所有走法分為兩類：
① 第一類是第一步走了 1 個臺階
② 第二類是第一步走了 2 個臺階
所以 n 個臺階的走法就等于先走 1 階后，n-1 個臺階的走法 ，然后加上先走 2 階后，n-2 個臺階的走法。
用公式表示就是：
f(n) = f(n-1)+f(n-2)
有了遞推公式，遞歸代碼基本上就完成了一半。那么接下來考慮遞歸終止條件。
當有一個臺階時，我們不需要再繼續遞歸，就只有一種走法。
所以 f(1)=1。
通過用 n = 2，n = 3 這樣比較小的數試驗一下后發現這個遞歸終止條件還不足夠。
n = 2 時，f(2) = f(1) + f(0)。如果遞歸終止條件只有一個f(1) = 1，那 f(2) 就無法求解，遞歸無法結束。 ?
所以除了 f(1) = 1 這一個遞歸終止條件外，還要有 f(0) = 1，表示走 0 個臺階有一種走法，從思維上以及動圖上來看，這顯得的有點不符合邏輯。所以為了便于理解，把 f(2) = 2 作為一種終止條件，表示走 2 個臺階，有兩種走法，一步走完或者分兩步來走。
總結如下：
① 假設只有一個臺階，那么只有一種走法，那就是爬 1 個臺階
② 假設有兩個個臺階，那么有兩種走法，一步走完或者分兩步來走
通過遞歸條件：
1f(1)?=?1;2f(2)?=?2;
3f(n)?=?f(n-1)+f(n-2)
很容易推導出遞歸代碼：
1int?f(int?n)?{2??if?(n?==?1)?return?1;
3??if?(n?==?2)?return?2;
4??return?f(n-1)?+?f(n-2);
5}
通過上述三個示例，總結一下如何寫遞歸代碼：
1.找到如何將大問題分解為小問題的規律
2.通過規律寫出遞推公式
3.通過遞歸公式的臨界點推敲出終止條件
4.將遞推公式和終止條件翻譯成代碼
什么是動態規劃
介紹動態規劃之前先介紹一下分治策略(Divide and Conquer)。
分治策略
將原問題分解為若干個規模較小但類似于原問題的子問題(Divide)，「遞歸」的求解這些子問題(Conquer)，然后再合并這些子問題的解來建立原問題的解。
因為在求解大問題時，需要遞歸的求小問題，因此一般用「遞歸」的方法實現，即自頂向下。
動態規劃(Dynamic Programming)
動態規劃其實和分治策略是類似的，也是將一個原問題分解為若干個規模較小的子問題，遞歸的求解這些子問題，然后合并子問題的解得到原問題的解。 ?
區別在于這些子問題會有重疊，一個子問題在求解后，可能會再次求解，于是我們想到將這些子問題的解存儲起來，當下次再次求解這個子問題時，直接拿過來就是。 ?
其實就是說，動態規劃所解決的問題是分治策略所解決問題的一個子集，只是這個子集更適合用動態規劃來解決從而得到更小的運行時間。 ?即用動態規劃能解決的問題分治策略肯定能解決，只是運行時間長了。因此，分治策略一般用來解決子問題相互對立的問題，稱為標準分治，而動態規劃用來解決子問題重疊的問題。
與「分治策略」「動態規劃」概念接近的還有「貪心算法」「回溯算法」，由于篇幅限制，程序員小吳就不在這進行展開，在后續的文章中將分別詳細的介紹「貪心算法」、「回溯算法」、「分治算法」，敬請關注：)
將「動態規劃」的概念關鍵點抽離出來描述就是這樣的：
1.動態規劃法試圖只解決每個子問題一次
2.一旦某個給定子問題的解已經算出，則將其記憶化存儲，以便下次需要同一個子問題解之時直接查表。
從遞歸到動態規劃
還是以 爬臺階 為例，如果以遞歸的方式解決的話，那么這種方法的時間復雜度為O(2^n)，具體的計算可以查看筆者之前的文章 《冰與火之歌：時間復雜度與空間復雜度》。
相同顏色代表著 爬臺階問題 在遞歸計算過程中重復計算的部分。
爬臺階的時間復雜度通過圖片可以發現一個現象，我們是 自頂向下 的進行遞歸運算，比如：f(n) 是f(n-1)與f(n-2)相加，f(n-1) 是f(n-2)與f(n-3)相加。
思考一下：如果反過來，采取自底向上，用迭代的方式進行推導會怎么樣了？
下面通過表格來解釋 f(n)自底向上的求解過程。
| 走法數 | 1 | 2 |
表格的第一行代表了樓梯臺階的數目，第二行代表了若干臺階對應的走法數。
其中f(1) = 1 和 f(2) = 2是前面明確的結果。
第一次迭代，如果臺階數為 3 ，那么走法數為 3 ，通過 f(3) = f(2) + f(1)得來。
| 走法數 | 1 | 2 | 3 |
第二次迭代，如果臺階數為 4 ，那么走法數為 5 ，通過 f(4) = f(3) + f(2)得來。
| 走法數 | 1 | 2 | 3 | 5 |
由此可見，每一次迭代過程中，只需要保留之前的兩個狀態，就可以推到出新的狀態。
show me the code
1int?f(int?n)?{2????if?(n?==?1)?return?1;
3????if?(n?==?2)?return?2;
4????//?a?保存倒數第二個子狀態數據，b?保存倒數第一個子狀態數據，?temp?保存當前狀態的數據
5????int?a?=?1,?b?=?2;
6????int?temp?=?a?+?b;
7????for?(int?i?=?3;?i?<=?n;?i++)?{
8????????temp?=?a?+?b;
9????????a?=?b;
10????????b?=?temp;?
11????}
12????return?temp;?
13}
程序從 i = 3 開始迭代，一直到 i = n 結束。每一次迭代，都會計算出多一級臺階的走法數量。迭代過程中只需保留兩個臨時變量 a 和 b ，分別代表了上一次和上上次迭代的結果。為了便于理解，引入了temp變量。temp代表了當前迭代的結果值。
看一看出，事實上并沒有增加太多的代碼，只是簡單的進行了優化，時間復雜度便就降為O(n)，而空間復雜度也變為O(1)，這，就是「動態規劃」的強大！
詳解動態規劃
「動態規劃」中包含三個重要的概念：
【最優子結構】
【邊界】
【狀態轉移公式】
在「 爬臺階問題 」中
f(10) = f(9) + f(8) 是【最優子結構】 ?f(1) 與 f(2) 是【邊界】 ? f(n) = f(n-1) + f(n-2) 【狀態轉移公式】
「 爬臺階問題 」 只是動態規劃中相對簡單的問題，因為它只有一個變化維度，如果涉及多個維度的話，那么問題就變得復雜多了。
難點就在于找出 「動態規劃」中的這三個概念。
比如「 國王和金礦問題 」。
國王和金礦問題
有一個國家發現了 5 座金礦，每座金礦的黃金儲量不同，需要參與挖掘的工人數也不同。參與挖礦工人的總數是 10 人。每座金礦要么全挖，要么不挖，不能派出一半人挖取一半金礦。要求用程序求解出，要想得到盡可能多的黃金，應該選擇挖取哪幾座金礦？
5 座金礦找出 「動態規劃」中的這三個概念
國王和金礦問題中的【最優子結構】
國王和金礦問題中的【最優子結構】國王和金礦問題中的【最優子結構】有兩個：
① 4 金礦 10 工人的最優選擇
② 4 金礦 (10 - 5) 工人的最優選擇
4 金礦的最優選擇與 5 金礦的最優選擇之間的關系是
MAX[(4 金礦 10 工人的挖金數量)，(4 金礦 5 工人的挖金數量 + 第 5 座金礦的挖金數量)]
國王和金礦問題中的【邊界】
國王和金礦問題中的【邊界】 有兩個：
① 當只有 1 座金礦時，只能挖這座唯一的金礦，得到的黃金數量為該金礦的數量
② 當給定的工人數量不夠挖 1 座金礦時，獲取的黃金數量為 0
國王和金礦問題中的【狀態轉移公式】
我們把金礦數量設為 N，工人數設為 W，金礦的黃金量設為數組G[]，金礦的用工量設為數組P[]，得到【狀態轉移公式】：
邊界值：F(n,w) = 0 ? ?(n <= 1, w < p[0])
F(n,w) = g[0] ? (n==1, w >= p[0])
F(n,w) = F(n-1,w) ? ?(n > 1, w < p[n-1])
F(n,w) = max(F(n-1,w), ?F(n-1,w-p[n-1]) + g[n-1]) ? ?(n < 1, w <= p[n-1])
國王和金礦問題中的【實現】
先通過幾幅動畫來理解 「工人」 與 「金礦」 搭配的方式
1.只挖第一座金礦
只挖第一座金礦在只挖第一座金礦前面兩個工人挖礦收益為 零，當有三個工人時，才開始產生收益為 200，而后即使增加再多的工人收益不變，因為只有一座金礦可挖。
2.挖第一座與第二座金礦
? ? ?挖第一座金礦與第二座金礦
在第一座與第二座金礦這種情況中，前面兩個工人挖礦收益為 零，因為 W < 3,所以F(N,W) = F(N-1,W) = 0。
當有 三 個工人時，將其安排挖第 一 個金礦，開始產生收益為 200。
當有 四 個工人時，挖礦位置變化，將其安排挖第 二 個金礦，開始產生收益為 300。
當有 五、六 個工人時，由于多于 四 個工人的人數不足以去開挖第 一 座礦，因此收益還是為 300。
當有 七 個工人時，可以同時開采第 一 個和第 二 個金礦，開始產生收益為 500。
3.挖前三座金礦
這是「國王和金礦」 問題中最重要的一個動畫之一，可以多看幾遍 ? ?
挖前三座金礦4.挖前四座金礦
這是「國王和金礦」 問題中最重要的一個動畫之一，可以多看幾遍 ? ?
挖前四座金礦國王和金礦問題中的【規律】
仔細觀察上面的幾組動畫可以發現：
對比「挖第一座與第二座金礦」和「挖前三座金礦」，在「挖前三座金礦」中，3 金礦 7 工人的挖礦收益，來自于 2 金礦 7 工人和 ?2 金礦 4 工人的結果，Max(500,300 + 350) = 650；
對比「挖前三座金礦」和「挖前四座金礦」，在「挖前四座金礦」中，4 金礦 10 工人的挖礦收益，來自于 3 金礦 10 工人和 ?3 金礦 5 工人的結果，Max(850,400 + 300) = 850；
國王和金礦問題中的【動態規劃代碼】
1代碼來源：https://www.cnblogs.com/SDJL/archive/2008/08/22/1274312.html2
3//maxGold[i][j]?保存了i個人挖前j個金礦能夠得到的最大金子數，等于?-1?時表示未知
4int?maxGold[max_people][max_n];
5
6int?GetMaxGold(int?people,?int?mineNum){
7????int?retMaxGold;????????????????????????????//聲明返回的最大金礦數量
8????//如果這個問題曾經計算過
9????if(maxGold[people][mineNum]?!=?-1){
10????????retMaxGold?=?maxGold[people][mineNum];?//獲得保存起來的值
11????}else?if(mineNum?==?0)?{???????????????????//如果僅有一個金礦時?[?對應動態規劃中的"邊界"]
12????????if(people?>=?peopleNeed[mineNum])??????//當給出的人數足夠開采這座金礦
13????????????retMaxGold?=?gold[mineNum];????????//得到的最大值就是這座金礦的金子數
14????????else???????????????????????????????????//否則這唯一的一座金礦也不能開采
15????????????retMaxGold?=?0;????????????????????//得到的最大值為?0?個金子
16????}else?if(people?>=?peopleNeed[mineNum])????//?如果人夠開采這座金礦[對應動態規劃中的"最優子結構"]
17????{
18????????//考慮開采與不開采兩種情況，取最大值
19????????retMaxGold?=?max(
20?????????????????????????GetMaxGold(people?-?peopleNeed[mineNum],mineNum?-?1)?+?gold[mineNum],
21?????????????????????????GetMaxGold(people,mineNum?-?1)
22?????????????????????????);
23????}else//否則給出的人不夠開采這座金礦?[?對應動態規劃中的"最優子結構"]
24????{
25????????retMaxGold?=?GetMaxGold(people,mineNum?-?1);?????//僅考慮不開采的情況
26????????maxGold[people][mineNum]?=?retMaxGold;
27????}
28????return?retMaxGold;
29}
動態規劃代碼
希望通過這篇文章，大家能對「遞歸」與「動態規劃」有一定的理解。后續將以「動態規劃」為基礎研究多重背包算法、迪杰特斯拉算法等更高深的算法問題，同時「遞歸」的更多概念也會在「分治算法」章節再次延伸，敬請對程序員小吳保持關注：)
End
關于本號作者程序員小吳，哈工大非科班程序員，目前正在學算法，開源項目?「?LeetCodeAnimation?」6000star，GitHub Trending 榜連續一月第一。歡迎大家關注我的微信公眾號：五分鐘學算法，一起學習，一起進步！
總結
以上是生活随笔為你收集整理的c 递归下降识别程序_看动画轻松理解递归与动态规划的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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