定义:如果一个函数在内部调用自身本身,这个函数就是递归(recursion)函数。
举个例子,我们来计算阶乘(factorial),用函数fact(n)表示,可以看出:fact(n)=fact(n-1)xn
所以,fact(n)可以表示为n x fact(n-1),只有n=1时需要特殊处理。
于是,fact(n)用递归的方式写出来就是:
def fact(n):
if n==1:
return 1
else:
return n*fact(n-1)
>>> fact(1)
1
>>> fact(5)
120
>>> fact(100)
9332621544394415268169923885626670049071596826438162146859296389521759999322991560
8941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000
我们调试fact(5)的计算过程:
>>> fact(5)
>>> 5 * fact(4)
>>> 5 * (4 * fact(3))
>>> 5 * (4 * (3 * fact(2)))
>>> 5 * (4 * (3 * (2 * fact(1))))
>>> 5 * (4 * (3 * (2 * 1)))
>>> 5 * (4 * (3 * 2))
>>> 5 * (4 * 6)
>>> 5 * 24
>>> 120
递归函数的优点是定义简单,逻辑清晰。理论上,所有的递归函数都可以写成循环的方式,但循环的逻辑不如递归清晰。
使用递归函数需要注意防止栈溢出。在计算机中,函数调用是通过栈(stack)这种数据结构实现的,
每当进入一个函数调用,栈就会加一层栈帧,每当函数返回,栈就会减一层栈帧。
由于栈的大小不是无限的,所以,递归调用的次数过多,会导致栈溢出。可以试试fact(1000):
Traceback (most recent call last):
File "E:/Kang Lu/PycharmProjects/text.py", line 9, in <module>
main()
File "E:/Kang Lu/PycharmProjects/text.py", line 7, in main
print(fact(1000))
File "E:/Kang Lu/PycharmProjects/text.py", line 5, in fact
return n*fact(n-1)
File "E:/Kang Lu/PycharmProjects/text.py", line 5, in fact
return n*fact(n-1)
File "E:/Kang Lu/PycharmProjects/text.py", line 5, in fact
return n*fact(n-1)
[Previous line repeated 993 more times]
File "E:/Kang Lu/PycharmProjects/text.py", line 2, in fact
if n==1:
RecursionError: maximum recursion depth exceeded in comparison
解决递归调用栈溢出的方法是通过尾递归优化,事实上尾递归和循环的效果是一样的,所以,把循环看成是一种特殊的尾递归函数也是可以的。
尾递归是指,在函数返回的时候,调用自身本身,并且,return语句不能包含表达式。
这样,编译器或者解释器就可以把尾递归做优化,使递归本身无论调用多少次,都只占用一个栈帧,不会出现栈溢出的情况。
上面的fact(n)函数由于return n * fact(n - 1)引入了乘法表达式,所以就不是尾递归了。
要改成尾递归方式,需要多一点代码,主要是要把每一步的乘积传入到递归函数中:
def fact(n):
return fact_iter(n, 1)
def fact_iter(num, product):
if num == 1:
return product
return fact_iter(num - 1, num * product)
def main():
print(fact(5))
if __name__=="__main__":
main()
>>>120
可以看到,return fact_iter(num - 1, num * product)仅返回递归函数本身,num - 1和num * product在函数调用前就会被计算,不影响函数调用。
fact(5)对应的fact_iter(5, 1)的调用如下:
>>> fact(5)
>>> fact_iter(5, 1)
>>> fact_iter(4, 5)
>>> fact_iter(3, 20)
>>> fact_iter(2, 60)
>>> fact_iter(1, 120)
>>> 120
尾递归调用时,如果做了优化,栈不会增长,因此,无论多少次调用也不会导致栈溢出。
遗憾的是,大多数编程语言没有针对尾递归做优化,Python解释器也没有做优化,所以,即使把上面的fact(n)函数改成尾递归方式,也会导致栈溢出。
小结
使用递归函数的优点是逻辑简单清晰,缺点是过深的调用会导致栈溢出。
针对尾递归优化的语言可以通过尾递归防止栈溢出。尾递归事实上和循环是等价的,没有循环语句的编程语言只能通过尾递归实现循环。
Python标准的解释器没有针对尾递归做优化,任何递归函数都存在栈溢出的问题。
练习
华为2018校园大使笔试春季题目
斐波那契数列(Fibonacci sequence),又称黄金分割数列、因数学家列昂纳多·斐波那契(Leonardoda Fibonacci)以兔子繁殖为例子而引入,
故又称为“兔子数列”,指的是这样一个数列:1、1、2、3、5、8、13、21、34、……
在数学上,斐波纳契数列以如下被以递归的方法定义:F(0)=1,F(1)=1, F(n)=F(n-1)+F(n-2)(n>2,n∈N*)
在现代物理、准晶体结构、化学等领域,斐波纳契数列都有直接的应用,为此,美国数学会从1963年起出版了以《斐波纳契数列季刊》为名的一份数学杂志,
用于专门刊载这方面的研究成果。
def Fib(n):
if n==2 or n==1:
return 1
else:
return Fib(n-1)+Fib(n-2)
def main():
num=eval(input('请输入要计算多少次>>>'))
ls=[]
for i in range(num):
ls.append(eval(input('请输入第{}次要计算的数字>>>'.format(i+1))))
for item in ls:
print(Fib(item))
if __name__=="__main__":
main()
>>>请输入要计算多少次>>>5
请输入第1次要计算的数字>>>1
请输入第2次要计算的数字>>>2
请输入第3次要计算的数字>>>3
请输入第4次要计算的数字>>>4
请输入第5次要计算的数字>>>5
1
1
2
3
5
IT笔试的时候,一般输出不是让你简单的输出结果,一般先是给出让你计算这个程序多少次,每次给一个数据,然后再让你输出所有结果。
当然这个程序还是存在问题的,就是当n特别大的时候,时间复杂度大,在笔试中只可以拿30%的分数。
参考源码:
Fibonacci sequence.py