DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
La Ricorsione
Marco D. Santambrogio – [email protected]
Ver. aggiornata al 29 Maggio 2014
Obiettivi
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE
• La ricorsione
Ricordate la sigla GNU
GNU = GNU is Not Unix
GNU = GNU is Not Unix
GNU = GNU is Not Unix
GNU = GNU is Not
GNU = GNU
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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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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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Un esempio classico
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• Individuare, in un gruppo di palline l’unica
pallina di peso maggiore delle altre facendo
uso di una bilancia “a basculla”
• Per semplicità: il numero di palline sia una
potenza di 3
• Algoritmo Pesate:
• Se il gruppo di palline consiste in una sola pallina,
allora essa è banalmente la pallina cercata,
altrimenti procedi come segue.
– Dividi il gruppo di palline in tre e confronta due dei tre
sottogruppi.
– Se i due gruppi risultano di peso uguale scarta entrambi,
altrimenti scarta il gruppo non pesato e quello risultato di
peso minore.
– Applica l’algoritmo Pesate al gruppo rimanente.
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Altri esempi di ricorsione
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• La sommatoria di una sequenza di numeri
• Fattoriale:
Fact(n)=n*Fact(n-1)
Fact(0)=1
• In arte e non solo…
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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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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
 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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Esempio di traccia
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• Calcoliamo il fattoriale di 4:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
4=0? No: calcoliamo il fattoriale di 3 e molt. per 4
3=0? No: calcoliamo il fattoriale di 2 e molt. per 3
2=0? No: calcoliamo il fattoriale di 1 e molt. per 2
1=0? No: calcoliamo il fattoriale di 0 e molt. per 1
0=0? Si: il fattoriale di 0 è 1. Risaliamo:
il fattoriale di 1 è 1 per il fattoriale di 0 cioè 1*1=1
il fattoriale di 2 è 2 per il fattoriale di 1 cioè 2*1=2
il fattoriale di 3 è 3 per il fattoriale di 2 cioè 3*2=6
il fattoriale di 4 è 4 per il fattoriale di 3 cioè 4*6=24
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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
fat=
1
FattRic(0)
fat=
1
FattRic(1)
fat=
2
FattRic(2)
fat=
6
FattRic(3)
n=3
main
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Moltiplicazione
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• 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
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• 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”
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“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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Un problema interessante:
La torre di Brahma
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La leggenda
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• 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
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• 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
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• 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
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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
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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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Esercizio: Massimo di un array
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• 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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Fonti per lo studio + Credits
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• 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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