PPT - V3

DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
La Ricorsione
Marco D. Santambrogio – [email protected]
Ver. aggiornata al 18 Maggio 2016
C-hackathon
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
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C-hackathon
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• 21 Giugno @ 12pm – 5pm
• 28 Giugno @ 12pm – 5pm
• 18 Luglio @ 8am -pm
http://tinyurl.com/chackathon
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DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
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C-hackathon
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• 21 Giugno @ 12pm – 5pm
• 28 Giugno @ 12pm – 5pm
• 18 Luglio @ 8am -pm
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Riscaldiamoci subito un po’…
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Riscaldiamoci subito un po’…
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
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Obiettivi
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•
•
•
•
Induzione matematica
Iterazione
Cosa significa “ricorsivo”
Iterazione Vs ricorsione
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Il tacchino induttivista
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• Un tacchino induttivista viene allevato in una
fattoria del Maine (USA)
• Ogni giorno alle 7am Mr Jones porta il cibo al
tacchino induttivista
• Il tacchino segue il seguente ragionamento:
 Il giorno 1 Mr Jones mi ha portato il cibo @ 7am
 Ieri era il giorno “n” e Mr Jones mi ha portato il
cibo @ 7am
 Oggi è il giorno “n+1” ed il cibo è arrivato
 Tutti i giorni @l 7am Mr Jones mi porterà il cibo
• … Thanksgiving
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L’induzione matematica
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Si usa nelle definizioni e nelle dimostrazioni
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L’induzione matematica
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• Si usa nelle definizioni e nelle dimostrazioni
• Definizione: numeri pari
 1) 0 è un numero pari
 2) se n è un numero pari anche n+2 è un numero pari
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L’induzione matematica
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• Si usa nelle definizioni e nelle dimostrazioni
• Definizione: numeri pari
 1) 0 è un numero pari
 2) se n è un numero pari anche n+2 è un numero pari
• Dimostrazione: dimostro che (2n)2=4n2
(distributività della potenza di 2 risp. alla moltiplicazione)
 1) n=1 : vero
 2) suppongo sia vero per k, lo dimostro per k+1:
(2(k+1))2=(2k+2)2=(2k)2+8k+4= (per hp di induzione) 4k2 +8k+4 =
4(k2 +2k+1) = 4(k+1)2
 1) è il passo base, 2) è il passo di induzione
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Iterazione e ricorsione
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• Sono i due concetti informatici che
nascono dal concetto di induzione
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Iterazione
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• L’iterazione si realizza mediante la
tecnica del ciclo
• Il calcolo del fattoriale:
 0!=1
 n!=n(n-1)(n-2)….1 (realizzo un ciclo)
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La ricorsione: definizione
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• Dal latino re-currere
 ricorrere, fare ripetutamente la stessa
azione
• In informatica: si tratta di
procedure/funzioni che richiamano se
stesse
• Il concetto di ricorsione viene usato nel
contesto di:
 algoritmi
 strutture dati
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Scopo della programmazione ricorsiva
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• Lo scopo è quelo di risolvere un problema facendo
riferimento allo stesso problma su scala ridotta
• La condizione di terminazione avviene quando si
identifica uno o più casi semplici con soluzione
immediata
• La struttura di un algoritmo ricorsivo è il seguente
if (è il caso semplice)
risolvilo
else
usa la ricorsione su dati ridotti
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La ricorsione: che cos’è?
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• Ricorsione indiretta:
 Un sottoprogramma P chiama un
sottoprogramma Q
 Q a sua volta chiama un terzo R, …
 R chiama nuovamente P
• Ricorsione diretta
 Un sottoprogramma P chiama se
stesso durante la propria esecuzione
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Il calcolo del fattoriale
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In matematica, se n è un intero positivo, si
definisce n fattoriale e si indica con n! il
prodotto dei primi n numeri interi positivi
minori o uguali di quel numero
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Il main del fattoriale
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Il fattoriale iterativo
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Definizione ricorsiva del fattoriale
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1) n!=1
se n=0
2) n!= n*(n-1)! se n>0
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Definizione ricorsiva del fattoriale
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1) n!=1
se n=0
2) n!= n*(n-1)! se n>0
 Riduce il calcolo a un calcolo più semplice
 Ha senso perché si basa sempre sul fattoriale
del numero più piccolo, che io conosco
 Ha senso perché si arriva a un punto in cui
non è più necessario riusare la def. 2) e
invece si usa la 1)
 1) è il passo base, 2) è il passo di ricorsione
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Il fattoriale ricorsivo
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Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
n=3
main
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Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
FattRic(3)
n=3
main
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Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
FattRic(2)
fat=
FattRic(3)
n=3
main
25
Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
FattRic(1)
fat=
FattRic(2)
fat=
FattRic(3)
n=3
main
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Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
FattRic(0)
fat=
FattRic(1)
fat=
FattRic(2)
fat=
FattRic(3)
n=3
main
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Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
1
FattRic(0)
fat=
FattRic(1)
fat=
FattRic(2)
fat=
FattRic(3)
n=3
main
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Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
1
FattRic(0)
fat=
1
FattRic(1)
fat=
FattRic(2)
fat=
FattRic(3)
n=3
main
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Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
1
FattRic(0)
fat=
1
FattRic(1)
fat=
2
FattRic(2)
fat=
FattRic(3)
n=3
main
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Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
1
FattRic(0)
fat=
1
FattRic(1)
fat=
2
FattRic(2)
fat=
6
FattRic(3)
n=3
main
31
Il fattoriale ricorsivo
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Calcolo del Fattoriale in modo ricorsivo:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
fat=
1
FattRic(0)
fat=
1
FattRic(1)
fat=
2
FattRic(2)
fat=
6
FattRic(3)
6
main
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Altri esempi di funzioni ricorsive
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• La moltiplicazione
• I numeri di Fibonacci (dinamiche di
popolazione)
• Il massimo in un array
• Il problema delle torri di Hanoi
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Moltiplicazione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ideare un procedimento ricorsivo per
calcolare il prodotto di due interi
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Moltiplicazione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ideare un procedimento ricorsivo per
calcolare il prodotto di due interi
• Nota: A*1=A; A*B = A + A*(B-1)
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Moltiplicazione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ideare un procedimento ricorsivo per
calcolare il prodotto di due interi
• Nota: A*1=A; A*B = A + A*(B-1)
int MulRic(int a, int b)
{
int ris;
if (b == 1) ris = a;
else ris = a + MulRic(a ,b–1);
return ris;
}
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Fibonacci
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Leonardo Fibonacci
 Matematico italiano
 Compie numerosi viaggi e
assimila le conoscenze
matematiche del mondo arabo,
 Nel 1202 pubblica: il Liber
abaci
 Con Liber abaci si propose di
diffondere nel mondo scientifico
occidentale le regole di calcolo
note agli Arabi
• il sistema decimale
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Il problema dei “conigli”
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
“Un tale mise una coppia di conigli
in un luogo completamente
circondato da un muro, per scoprire
quante coppie di conigli
discendessero da questa in un anno:
per natura le coppie di conigli
generano ogni mese un'altra coppia
e cominciano a procreare a partire
dal secondo mese dalla nascita.”
L. Fibonacci da Liber Abaci
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I numeri di Fibonacci
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Idea di base
1) fib(n)=1 se n=0 opp. n=1
2) fib(n)= fib(n-1) + fib(n-2) se n>1
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Successione di Fibonacci
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• Fib(n)=Fib(n-1)+Fib(n-2)
• Fib(0)=0; Fib(1)=1;
int fibRic (int n) {
int ris;
if (n == 0) ris = 0;
else if (n == 1) ris = 1;
else ris = fibRic(n–1) + fibRic(n–2);
return ris;
}
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Massimo di un array
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ideare un procedimento ricorsivo per
calcolare il massimo di un array di interi
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Massimo di un array
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ideare un procedimento ricorsivo per
calcolare il massimo di un array di interi
• Idea: max(vect[0 : N])
=max(vect[0],max(vect[1 : N]))
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Massimo di un array
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Ideare un procedimento ricorsivo per
calcolare il massimo di un array di interi
• Idea: max(vect[0 : N])
=max(vect[0],max(vect[1 : N]))
int max(int *array, int n){
int maxs;
if (n==1) return array[0]; /*Caso Array 1 elemento*/
if (n==2){
/*Caso Base*/
if (array[0]>array[1]) return array[0];
else return array[1];
}
maxs = max(&array[1],n-1); /*Risolvi Problema Ridotto*/
if (array[0]>maxs)return array[0];
else return maxs;
}
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Un problema interessante:
La torre di Brahma
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La leggenda
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Narra la leggenda che all'inizio dei tempi, Brahma portò nel
grande tempio di Benares, sotto la cupola d'oro che si trova al
centro del mondo, tre colonnine di diamante e sessantaquattro
dischi d'oro, collocati su una di queste colonnine in ordine
decrescente, dal più piccolo in alto, al più grande in basso.
• E' la sacra Torre di Brahma che vede impegnati, giorno e notte, i
sacerdoti del tempio nel trasferimento della torre di dischi dalla
prima alla terza colonnina.
• Essi non devono contravvenire alle regole precise, imposte da
Brahma stesso, che richiedono di spostare soltanto un disco alla
volta e che non ci sia mai un disco sopra uno più piccolo.
• Quando i sacerdoti avranno completato il loro lavoro e tutti
i dischi saranno riordinati sulla terza colonnina, la torre e il
tempio crolleranno e sarà la fine del mondo.
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Le torri di Hanoi
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http://www.cs.cmu.edu/~cburch/survey/recurse/hanoi.html
Problema: spostare tutti i dischi dalla torre A alla torre B
(usando la torre C come “supporto intermedio”) in modo
che si trovino nello stesso ordine
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Le torri di Hanoi
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• Scriveremo una funzione ricorsiva che
prende come parametro il numero del disco
più grande che vogliamo spostare (da 0 a 5
come nel disegno)
• La funzione prenderà anche tre parametri
che indicano:
 da quale asta vogliamo partire (source),
 a quale asta vogliamo arrivare (dest),
 l’altra asta, che possiamo usare come supporto
temporaneo (spare).
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L’idea di base
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Voglio spostare n anelli dal piolo sorgente,
a quello destinazione, usando come
appoggio il piolo ausiliario
 Devo quindi prima spostare n - 1 anelli dal
sorgente all'ausiliario, usando come appoggio
il piolo destinazione
 Poi sposto l'unico anello rimasto dal sorgente
al piolo destinazione
 Infine sposto gli n - 1 anelli che si trovano
sull'ausilliario all'anello destinazione..
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L’uso della ricorsione
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Quando si spostano gli n - 1 anelli la funzione
hanoi richiama se stessa, cioè effettua una
chiamata ricorsiva, semplificando però il
problema perché bisogna spostare un numero
di anelli inferiore.
• In pratica, con la ricorsione il problema viene
continuamente ridotto di complessità fino alla
soluzione banale in cui rimane solo un anello,
che viene semplicemente spostato nel piolo
destinazione.
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Le torri di Hanoi: strategia
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
Ridurremo il problema a quello di spostare 5 dischi dalla torre C
alla torre B, dopo che il disco 5 è stato già messo nella posizione
giusta
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Le torri di Hanoi: pseudocodice
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
FUNCTION MoveTower(disk, source, dest, spare):
IF disk == 0, THEN:
move disk from source to dest
ELSE:
MoveTower(disk - 1, source, spare, dest)
/* (Passo 1) */
move disk from source to dest
//
/* (Passo 2) */
MoveTower(disk - 1, spare, dest, source)
//
/* (Passo 3) */
END IF
Nota: l’algoritmo aggiunge un caso base: quando il disco è il più
piccolo (il numero 0). In questo caso possiamo muoverlo
direttamente perché non ne ha altri sopra. Negli altri casi,
seguiamo la procedura descritta per il disco 5.
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Codice
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void hanoi(int n, int sorgente, int destinazione, int aux) {
if (n==1)
printf("Sposto da %d a %d.\n",sorgente, destinazione);
else{
hanoi(n - 1, sorgente, aux, destinazione);
hanoi(1, sorgente, destinazione, aux);
hanoi(n - 1, aux, destinazione, sorgente);
}
}
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Fonti per lo studio + Credits
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• Fonti per lo studio
 Introduzione alla programmazione in MATLAB,
A.Campi, E.Di Nitto, D.Loiacono, A.Morzenti,
P.Spoletini, Ed.Esculapio
• Capitolo 4
– Particolare attenzione al 4.5
• Credits
 Prof. A. Morzenti
 Gianluca Palermo
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