DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Iterazione Vs Ricorsione Marco D. Santambrogio – Ver. aggiornata al 8 Gennaio 2016.

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1 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Iterazione Vs Ricorsione Marco D. Santambrogio – marco.santambrogio@polimi.it Ver. aggiornata al 8 Gennaio 2016

2 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Prima di tutto… 2

3 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE

4 Riscaldiamoci subito un po’… 4

5 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Riscaldiamoci subito un po’… 5

6 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEObiettivi Induzione matematica Iterazione Cosa significa “ricorsivo” Iterazione Vs ricorsione 6

7 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE L’induzione matematica Si usa nelle definizioni e nelle dimostrazioni 7

8 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE L’induzione matematica 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 8

9 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE L’induzione matematica 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 =4n 2 (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) 4k 2 +8k+4 = 4(k 2 +2k+1) = 4(k+1) 2  1) è il passo base, 2) è il passo di induzione 9

10 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Il tacchino induttivista 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 10

11 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Iterazione e ricorsione Sono i due concetti informatici che nascono dal concetto di induzione 11

12 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEIterazione 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) 12

13 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEIterazione Il calcolo del fattoriale mediante una tecnica iterativa: function [f]=fact(n) f=1; for i=1:n f=f*i; end 13

14 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE La ricorsione 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 14

15 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE “Flusso” di lavoro Il programmatore formula l’algoritmo dal generale al particolare  Si descrivono la funzione sulla globalità dei dati in termini della funzione stessa sui dati disgregati L’algoritmo viene poi eseguito dal particolare al generale  Vengono infatti lasciate in sospeso le operazioni globali e il calcolo vero e proprio inizia dai dati atomici 15

16 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Definizione ricorsiva del fattoriale 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 16

17 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Algoritmo ricorsivo per fattoriale function [f]=factRic(n) if (n==0) f=1; else f=n*factRic(n-1); end Quando si può dire che una ricorsione è ben definita?  Informalmente: se ogni volta che applico la ricorsione sono significativamente più vicino al passo base, allora la definizione non è circolare. 17

18 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Esempio di traccia 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 18

19 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 19

20 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) n:3f:.. factRic (2) n:2f:.. factRic Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 20

21 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) n:3f:.. factRic (2) n:2f:.. factRic n:3f:.. factRic (3) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 21

22 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) n:3f:.. factRic (2) n:2f:.. factRic n:3f:.. factRic (3) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:3f:.. factRic (4) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:.. factRic Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 22

23 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) n:3f:.. factRic (2) n:2f:.. factRic n:3f:.. factRic (3) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:3f:.. factRic (4) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:.. factRic n:3f:.. factRic (5) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:1 factRic Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 23

24 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) n:3f:.. factRic (2) n:2f:.. factRic n:3f:.. factRic (3) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:3f:.. factRic (4) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:.. factRic n:3f:.. factRic (5) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:1 factRic n:3f:.. factRic (6) n:2f:.. factRic n:1f:1 factRic Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 24

25 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) n:3f:.. factRic (2) n:2f:.. factRic n:3f:.. factRic (3) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:3f:.. factRic (4) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:.. factRic n:3f:.. factRic (5) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:1 factRic n:3f:.. factRic (6) n:2f:.. factRic n:1f:1 factRic n:3f:.. factRic (7) n:2f:2 factRic Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 25

26 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE n:3f:.. factRic (1) n:3f:.. factRic (2) n:2f:.. factRic n:3f:.. factRic (3) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:3f:.. factRic (4) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:.. factRic n:3f:.. factRic (5) n:2f:.. factRic n:1f:.. factRic n:0f:1 factRic n:3f:.. factRic (6) n:2f:.. factRic n:1f:1 factRic n:3f:.. factRic (7) n:2f:2 factRic n:3f:6 factRic (8) Ambienti locali gestiti in modo LIFO (Last In First Out) Cancellati in ordine inverso a quello un cui sono stati creati Si usa una struttura di dati detta PILA Gestione a pila degli ambienti locali delle funzioni 26

27 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Altri esempi di funzioni ricorsive I numeri di Fibonacci (dinamiche di popolazione) Il Massimo Comun Divisore (algoritmo di Euclide) Il problema delle torri di Hanoi 27

28 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEFibonacci 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 28

29 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Il problema dei “conigli” “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 29

30 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE I numeri di Fibonacci 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 30

31 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE I numeri di Fibonacci 1) fib(n)=1 se n=0 opp. n=1 2) fib(n)= fib(n-1) + fib(n-2) se n>1 Vengono usati per modellare la crescita di animali per diverse generazioni function [f]=fib (n) if n==1 | n==2 f = 1; else f = fib(n - 2) + fib(n - 1); end 31

32 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Il MCD Definizione: 1) MCD(m,n)=m se m=n 2a) MCD(m,n)= MCD(m-n,n) se m>n 2b) MCD(m,n)=MCD(m,n-m) se n>m esempio: MCD(21,56) = MCD(21,35) = MCD(21,14)= = MCD(7,14) = MCD(7,7) = 7 32

33 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE IL MCD Iterativo: function [M]=MCDeuclid(m,n) while m ~= n if m>n m=m-n; else n=n-m; end M=m; 33

34 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE IL MCD Iterativo: function [M]=MCDeuclid(m,n) while m ~= n if m>n m=m-n; else n=n-m; end M=m; Ricorsivo: function [M]=MCDeuclidRic(m,n) if m==n M=m; else if m>n M = MCDeuclidRic(m-n,n); else M = MCDeuclidRic(m,n-m); end Attenzione alla condizione di terminazione!!!!! N.B. è sempre possibile trovare un corrispondente iterativo di un programma ricorsivo!!! 34

35 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONEPausa… 35

36 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Un problema interessante: La torre di Brahma 36

37 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE La leggenda 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. 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. 37

38 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Le torri di Hanoi 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 38

39 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Le torri di Hanoi 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). 39

40 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE L’idea di base 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.. 40

41 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE L’uso della ricorsione 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. 41

42 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Le torri di Hanoi: strategia 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 42

43 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Le torri di Hanoi: pseudocodice 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. 43

44 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Soluzione in codice MATLAB con simulazione function []=hanoi(n, da, a, per) if (n>1) hanoi(n-1, da, per, a); end; fprintf('\n sposta un disco dal piolo %d al piolo %d \n', da, a); if (n>1) hanoi(n-1, per, a, da); end; >> hanoi(3, 1, 2, 3) sposta un disco dal piolo 1 al piolo 2 sposta un disco dal piolo 1 al piolo 3 sposta un disco dal piolo 2 al piolo 3 sposta un disco dal piolo 1 al piolo 2 sposta un disco dal piolo 3 al piolo 1 sposta un disco dal piolo 3 al piolo 2 sposta un disco dal piolo 1 al piolo 2 >> hanoi(3, 1, 2, 3) hanoi(2, 1, 3, 2)hanoi(2, 3, 2, 1) hanoi(1, 1, 2, 3)hanoi(1, 2, 3, 1)hanoi(1, 3, 1, 2)hanoi(1, 1, 2, 3) 44

45 DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA E INFORMAZIONE Fonti per lo studio + Credits 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 attezione al 4.5 Credits  Prof W. Fornaciari  Prof. A. Morzenti 45