SICP——构造程序抽象(三)

1.线性的递归和迭代

先从阶乘的问题入手,计算n的阶乘(n!),也就是:

n!=n*[(n-1)*(n-2)*(n-3)*...3*2*1] = n*(n-1)!

通过n=n*(n-1)!1!=1,可以将其定义为一个过程:

(define (factorial n)
    (if (= n 1)
        1
        (* n (factorial (-n 1)))))

除了上述过程,还可以另一种方法,用一个计数的counter,累计乘积的sum,按照下面规则变化:

sum       <---- counter * sum    (累计)
counter   <---- counter + 1    (计数)

即n!为计数器counter超过n时乘积sum的值,可以将这个描述重构为:

(define (factorial n)
    (fact-iter 1 1 n))
(define (face-iter sum counter n)
    (if (> counter n)
        sum
        (fact-iter (*counter sum)
                   (+ counter 1)
                   n)))

如果把计算过程列出,前面第一种计算过程揭示出一种先逐步展开而后收缩的形状,这种类型的计算过程由一个推迟执行的运算链条刻画,称为一个递归计算过程

在计算n!时,推迟执行的乘法链条的长度也就是为保存其轨迹需要保存的信息量,这个长度随着n的增长而线性增长,就像计算中的步骤数目一样,这样的计算过程称为一个线性递归过程

第二种过程里没有增长或收缩,在计算过程中的所有东西就是三个变量,这种过程称为一个迭代计算过程,其状态可以用固定数目的状态变量描述;有固定规则描述这些变量的更新方式;以及结束检测

所需的计算步骤随着n线性增长,这种过程称为线性迭代过程

两种的对比:

  • 在迭代的情况里,那几个程序变量都提供了有关计算状态的一个完整描述
  • 递归计算过程中,由解释器维持因推迟的运算所形成的链条

混淆点:
递归过程:语法形式上的事实,说明这个过程的定义中引用了该过程本身
递归计算过程:计算过程的模式,是指计算过程的进展方式

2.树形递归

以斐波那契数列为切入点,这一序列中的每个数都是前面两个数之和,一般如下规则:

Fib(n) = 0     # if n=0
       = 1     # if n=1
       = Fib(n-1) + Fib(n-2)   # else

将规则定义为过程:

(define (fib n)
    (cond ((= n 0) 0)
          ((= n 1) 1
          (else (+ (fib (-n 1))
                       (fib (- n 2))))))

以fib(5)为例,展开后如下:


fib.jpg

反映出对过程的每个调用中两次递归调用自身的事实,这种计算模式称为树形递归

上面定义的过程教育意义居多,其实是不会这么用的,因为它有太多的冗余计算;该过程所用的计算步骤将随着输入增长而指数性地增长,其空间需求只是随着输入增长而线性增长

一般说,树形递归计算过程里所需的步骤数将正比与树中的节点数,其空间需求正比于数的最大深度

3.用迭代计算过程实现斐波那契数列

基本想法:用一对整数a和b;初始化为Fib(1)=1和Fib(0)=0;而后反复同时使用以下变换规则:

a <-- a + b
b <-- a

将n代入可证明出,在第n次应用这些变换后,a和b分别为:Fib(n+1)和Fib(n),由此可定义过程:

(define (fib n)
    (fib-iter 1 0 n))
(define (fib-iter a b n)
    (if (= count 0)
        b
        (fib-iter(+ a b) a (- count 1))))
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