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结构递归与生成递归有何不同?

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维基百科中关于生成递归的描述对我来说很清楚,但是我对结构递归的概念感到困惑。

有人可以解释一个计算第n个斐波那契数的函数和一个从1到N阶乘的函数是结构的还是生成的?


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2020-07-28

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结构性递归与生成性递归之间的主要区别在于,递归过程从何处获取其所处理的数据以及如何处理该数据。具体来说,对于结构递归,对原始输入数据的子集进行递归调用。对于生成递归,将对根据原始输入数据构造/计算的数据进行递归调用。

例如,如果要计算链接列表中的元素数,则可以执行以下操作:

int NumberOfNodes(ListNode* node) {
    if (node == nullptr) return 0;
    return 1 + NumberOfNodes(node->next);
}

这里,递归调用NumberOfNodes正在取得的node->next,这是一块它已经存在的原始投入。在这种情况下,递归通过将输入分解为较小的部分,然后在较小的部分上进行递归来进行。

类似地,此代码在BST中搜索值将是结构性递归,因为递归调用是对原始输入的子部分的:

TreeNode* Find(TreeNode* root, DataType value) {
    if (root == nullptr) return nullptr;
    if (value < root->value) return Find(root->left, value);
    else return Find(root->right, value);

术语“结构递归”来自以下事实:可以递归定义以下结构(列表,BST等):

  • 列表要么为空,要么为单元格,后跟一个列表。
  • 二叉树要么什么都不是,要么是带有两个二叉树作为子节点的节点。

在进行结构递归时,您正在“撤消”从中相互构建这些结构的操作。例如,NumberOfNodes函数“撤消”采用节点并将其添加到现有列表之前的构造。该Find运营商“撤销”胶合节点到其他两棵树的操作。因此,很容易看出为什么这些函数必须终止-
最终,您首先“撤消”了最初用来构建对象的所有操作,然后递归停止了。

另一方面,考虑使用Quicksort,它可以执行以下操作:

  1. 选择一个枢轴。
  2. 创建三个新列表:小于枢轴的所有元素之一,大于枢轴的所有元素之一,和等于枢轴的所有元素之一。
  3. 递归排序这些列表的第一和第二。
  4. 连接较小,相等和较大值的列表。

在这里,递归调用是在较小的数组上进行的,这些数组不是原始输入的一部分-
列表必须从数据中创建。(通常,实现会为这些列表重用空间,但不能保证这些子列表直接存在于输入中)。

对于自然数,这种区分是模糊的。通常,自然数递归定义如下:

  • 0是自然数。
  • 如果n是自然数,则n +1是自然数。
  • 没有别的是自然数。

在此定义下,数字n是n + 1的“部分”。因此,此递归代码可计算n!是结构递归:

int Factorial(int n) {
    if (n == 0) return 1;
    return n * Factorial(n - 1);
}

这是结构性递归,因为参数n-1是原始输入n的“一部分”。

同样,根据此定义,计算第n个斐波那契数递归计为结构递归:

int Fibonacci(int n) {
    if (n <= 1) return n;
    return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}

这被认为是结构递归,因为n-1是n的一部分(通过“撤消” +1形成),n-2是n-1的一部分(再次通过“撤消” +1形成)。

另一方面,此计算gcd的代码将被视为生成性递归,而不是结构性递归:

int gcd(int a, int b) {
    if (b == 0) return a;
    return gcd(b, a % b);
}

原因是,由于a % b是从a和“计算”的b,而不是通过“撤消”一些+1操作形成的,因此会生成数据。

生成递归与结构递归之所以不同,是因为不能保证它会终止。例如,考虑以下功能:

int BadTimes(int a, int b) {
    if (a == 0 && b == 0) return 0;
    return BadTimes(a * 2, b - 1);
}

这种生成的递归函数永远不会终止:a即使b不断变小,它也会不断变大。

老实说,我以前从未听说过这种区别,并且我教授离散数学和编程课程。除非有人要求您知道区别,否则我不会对此太担心。

希望这可以帮助!

2020-07-28