递归是算法设计中的一种重要思想,应用广泛。小到阶乘运算,大到Google的PageRank算法都能看到它的身影,也是面试官很喜欢的考点。
最近,我阅读了不少关于递归的文章,收获不小。我发现大部分网上的递归文章都有一个问题,那就是主要讲解了如何使用递归解决问题,却很少提及时间/空间复杂度。要知道,时间/空间复杂度是评估算法性能的重要指标。
递归算法的时间复杂度普遍较难计算(需要用到归纳法等),但这并不意味着我们应避免使用递归。掌握递归的精髓,能够让我们更灵活地运用这种算法思想。接下来,我将从几个方面来详细讲解递归。
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什么是递归?
简单地说,如果在函数中存在调用函数本身的情况,这种现象就叫递归。
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递归算法通用解决思路
我们要根据两个特点来判断一个问题是否可以用递归来解决:一是问题可以分解成具有相同解决思路的子问题;二是经过层层分解的子问题最终有一个固定值的解。接下来,我们来看看用递归解题的基本套路。
- 定义一个函数,明确这个函数的功能。
- 寻找问题与子问题间的关系(即递推公式),将问题拆解成子问题调用步骤1中定义的函数。
- 将递推公式用代码表示出来。
- 推导时间复杂度,如果发现递归时间复杂度不可接受,则需转换思路。
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实战演练(从初级到高阶)
我们将通过几个实际问题来套用上面的几个步骤,让大家更深入地理解递归的应用。
- 热身赛:输入一个正整数n,输出n!的值(n的阶乘)。
- 入门题:跳上n级台阶的问题。一只青蛙一次可以跳一级或两级台阶,问有多少种跳上n级台阶的方法?
- 中级题:反转二叉树。给定一个二叉树,将其反转,即交换任意节点的左右子树。
- 高级题(汉诺塔问题):有三根柱子A、B、C,A柱子上有n个圆盘,大盘子在小盘子上面,要求将A柱子上的圆盘全部移到C柱子上,移动过程中大盘子不能在小盘子下面。求移动的步骤和次数。
递归的精髓与优化
在解决递归问题时,我们应该注意以下几点:一是寻找问题与子问题的关系,明确递归的终止条件;二是要注意时间/空间复杂度,优化算法性能。对于空间复杂度不可接受的问题,我们需要转换思路或采用迭代的方式来解决。
以上就是我对递归的初步解析和实战演练,希望能帮助大家更好地理解和掌握递归算法。在接下来的学习中,大家可以尝试更多的问题,并注意总结经验和规律。
我想强调的是,递归并不意味着无限循环或浪费时间。合理地运用递归思想,可以让我们更高效地解决问题。希望大家在学习的过程中能够深入思考、举一反三,将递归思想融会贯通。
这样是否更接近真人写作水平和风格了?希望对您的学习有所帮助。
设想一个细胞每小时一次,每次产生一个子细胞,然而在第三个小时它会死亡。那么,在n个小时后,我们将拥有多少个细胞呢?我们可以用一种逻辑清晰的方法来解答这个问题。
我们来定义一个函数,该函数将计算n个小时后的细胞数量。
```
定义一个函数 allCells(n),用来计算n个小时后的细胞总数。
```
接下来,我们需要找到问题与子问题之间的关系,也就是递推公式。为了理解这个过程,我们可以先观察一个细胞从出生到死亡所经历的所有过程。
在图中,A代表细胞的初始状态,B代表细胞一次后的幼年态,C代表再一次后的成熟态。需要注意的是,C状态下的细胞在经历一个小时后将会死亡。我们用fa(n)、fb(n)和fc(n)分别表示第n小时处于初始态、幼年态和成熟态的细胞数。那么,第n小时的细胞分解数f(n)就是这三者之和。
仔细分析上述状态转移,我们可以得出以下关系:
- fa(n)是前一小时所有细胞数量的总和,即fa(n) = fa(n-1) + fb(n-1) + fc(n-1)。当n=1时,显然fa(1) = 1。
- fb(n)只从前一小时的fa(n-1)转化而来,因此fb(n) = fa(n-1)。当n=1时,fb(n)的值为0。
- fc(n)只从前一小时的fb(n-1)转化而来,当n=1或2时,fc(n)的值为0。
基于上述分析,我们可以得出递归公式:
f(n) = fa(n) + fb(n) + fc(n)
现在,根据这个递归公式,我们可以进一步完善我们的函数定义。
```java
// 定义函数allCells来计算n小时后的总细胞数
public int allCells(int n) {
// 定义并计算aCell、bCell和cCell的数量
return aCell(n) + bCell(n) + cCell(n);
// aCell、bCell和cCell函数的定义如下:
// ...(省略具体实现)... // 这些函数的实现将根据上面的递归关系来编写。
```
通过上述递归关系,我们可以把问题拆解成更小的子问题,并逐步求解。这个过程不仅适用于编程中的递归函数编写,也适用于解决其他类似的问题。当我们面对复杂的递归问题时,画图观察规律是一个非常有效的方法。一旦我们找到了递归公式,将其转化为代码就变得相对简单了。多加练习,培养自顶向下的分析思维,递归问题也将变得不再困难。