Рекурсия в питоне что это

Что такое рекурсия и как она работает в языке Python

В этой статье поговорим про особенности работы механизма рекурсии в популярном языке программирования Python. Читайте далее про особенности работы с рекурсией в функциях языка Python, благодаря которой в Python существует возможность обходить структуры, имеющие произвольные и непредсказуемые формы и глубины.

Что представляет собой рекурсия в языке Python

Рекурсия — это описание (определение) какого-либо объекта или процесса внутри этого самого объекта или процесса (структуры). В Python механизм рекурсии очень распространен в функциях. Функциями называются участки кода, которые изолированы от остального кода программы. Их выполнение происходит только в том случае, если они вызываются. Все функции обладают одним общим свойством: они могут принимать параметры (ноль, один или несколько), а также возвращать значения (но это не всегда). Функцию, в которой используется механизм рекурсии, называют рекурсивной функцией. Отличительной особенностью рекурсивных функций является то, что в своей конструкции они содержат собственный вызов, то есть вызывают сами себя. Рекурсию также принято считать альтернативой несложным циклам и итерациям для того, чтобы повысить производительность программы путем более быстрого выполнения. Хотя также стоит отметить, что рекурсия не всегда применима в сложных циклических конструкциях (например, когда необходимо использовать вложенные циклы).

Как работает рекурсия: несколько практических примеров

В качестве примера рассмотрим механизм рекурсии на основе функции. Для того, чтобы объявить собственную функцию в Python, применяется специальное зарезервированное слово def. Следующий код на языке Python отвечает за объявление рекурсивной функции, которая отвечает за нахождение суммы элементов списка:

def mysum (L) : if not L: return 0 else: return L[0] + mysum(L[1:])

Для того, чтобы вызвать объявленную функцию, необходимо указать ее имя и входящий параметр:

mysum([1, 2, 3, 4, 5])##15

Как уже отмечалось выше, рекурсия способна заменять циклическую конструкцию, а значит, при вызове рекурсивной функции происходит циклические вычисления. В качестве примера можно вывести все уровни выполнения рекурсивной функции:

def mysum(L) : print (L) # Вывод уровней рекурсии if not L: # На каждом уровне L становится короче return 0 else: return L[0] + mysum(L[1:])

Таким образом, благодаря поддержке механизма рекурсии, язык Python обеспечивает разработчика возможностью значительно повышать производительность приложений и экономии времени. Это делает Python универсальным и надежным средством для работы с производительными приложениями, а также с Big Data обработкой.

Рекурсия в питоне что это

Напомним, что в математике факториал числа n определяется как Например, Ясно, что факториал можно легко посчитать, воспользовавшись циклом for. Представим, что нам нужно в нашей программе вычислять факториал разных чисел несколько раз (или в разных местах кода). Конечно, можно написать вычисление факториала один раз, а затем используя Copy-Paste вставить его везде, где это будет нужно.

# вычислим 3! res = 1 for i in range(1, 4): res *= i print(res) # вычислим 5! res = 1 for i in range(1, 6): res *= i print(res)

Однако, если мы ошибёмся один раз в начальном коде, то потом эта ошибка попадёт в код во все места, куда мы скопировали вычисление факториала. Да и вообще, код занимает больше места, чем мог бы. Чтобы избежать повторного написания одной и той же логики, в языках программирования существуют функции.

Функции — это такие участки кода, которые изолированы от остальный программы и выполняются только тогда, когда вызываются. Вы уже встречались с функциями sqrt(), len() и print(). Они все обладают общим свойством: они могут принимать параметры (ноль, один или несколько), и они могут возвращать значение (хотя могут и не возвращать). Например, функция sqrt() принимает один параметр и возвращает значение (корень числа). Функция print() принимает переменное число параметров и ничего не возвращает.

Покажем, как написать функцию factorial(), которая принимает один параметр — число, и возвращает значение — факториал этого числа.

def factorial(n): res = 1 for i in range(1, n + 1): res *= i return res print(factorial(3)) print(factorial(5))

Дадим несколько объяснений. Во-первых, код функции должен размещаться в начале программы, вернее, до того места, где мы захотим воспользоваться функцией factorial(). Первая строчка этого примера является описанием нашей функции. factorial — идентификатор, то есть имя нашей функции. После идентификатора в круглых скобках идет список параметров, которые получает наша функция. Список состоит из перечисленных через запятую идентификаторов параметров. В нашем случае список состоит из одной величины n. В конце строки ставится двоеточие.

Далее идет тело функции, оформленное в виде блока, то есть с отступом. Внутри функции вычисляется значение факториала числа n и оно сохраняется в переменной res. Функция завершается инструкцией return res, которая завершает работу функции и возвращает значение переменной res.

Инструкция return может встречаться в произвольном месте функции, ее исполнение завершает работу функции и возвращает указанное значение в место вызова. Если функция не возвращает значения, то инструкция return используется без возвращаемого значения. В функциях, которым не нужно возвращать значения, инструкция return может отсутствовать.

Приведём ещё один пример. Напишем функцию max(), которая принимает два числа и возвращает максимальное из них (на самом деле, такая функция уже встроена в Питон).

10 20

def max(a, b): if a > b: return a else: return b print(max(3, 5)) print(max(5, 3)) print(max(int(input()), int(input())))

Теперь можно написать функцию max3(), которая принимает три числа и возвращает максимальное их них.

def max(a, b): if a > b: return a else: return b def max3(a, b, c): return max(max(a, b), c) print(max3(3, 5, 4))

Встроенная функция max() в Питоне может принимать переменное число аргументов и возвращать максимум из них. Приведём пример того, как такая функция может быть написана.

def max(*a): res = a[0] for val in a[1:]: if val > res: res = val return res print(max(3, 5, 4))

Все переданные в эту функцию параметры соберутся в один кортеж с именем a, на что указывает звёздочка в строке объявления функции.

2. Локальные и глобальные переменные

Внутри функции можно использовать переменные, объявленные вне этой функции

def f(): print(a) a = 1 f()

Здесь переменной a присваивается значение 1, и функция f() печатает это значение, несмотря на то, что до объявления функции f эта переменная не инициализируется. В момент вызова функции f() переменной a уже присвоено значение, поэтому функция f() может вывести его на экран.

Такие переменные (объявленные вне функции, но доступные внутри функции) называются глобальными.

Но если инициализировать какую-то переменную внутри функции, использовать эту переменную вне функции не удастся. Например:

def f(): a = 1 f() print(a)

Получим ошибку NameError: name ‘a’ is not defined . Такие переменные, объявленные внутри функции, называются локальными. Эти переменные становятся недоступными после выхода из функции.

Интересным получится результат, если попробовать изменить значение глобальной переменной внутри функции:

def f(): a = 1 print(a) a = 0 f() print(a)

Будут выведены числа 1 и 0. Несмотря на то, что значение переменной a изменилось внутри функции, вне функции оно осталось прежним! Это сделано в целях “защиты” глобальных переменных от случайного изменения из функции. Например, если функция будет вызвана из цикла по переменной i , а в этой функции будет использована переменная i также для организации цикла, то эти переменные должны быть различными. Если вы не поняли последнее предложение, то посмотрите на следующий код и подумайте, как бы он работал, если бы внутри функции изменялась переменная i.

def factorial(n): res = 1 for i in range(1, n + 1): res *= i return res for i in range(1, 6): print(i, '! = ', factorial(i), sep='')

Если бы глобальная переменная i изменялась внутри функции, то мы бы получили вот что:

5! = 1 5! = 2 5! = 6 5! = 24 5! = 120

Итак, если внутри функции модифицируется значение некоторой переменной, то переменная с таким именем становится локальной переменной, и ее модификация не приведет к изменению глобальной переменной с таким же именем.

Более формально: интерпретатор Питон считает переменную локальной для данной функции, если в её коде есть хотя бы одна инструкция, модифицирующая значение переменной, то эта переменная считается локальной и не может быть использована до инициализации. Инструкция, модифицирующая значение переменной — это операторы = , += , а также использование переменной в качестве параметра цикла for . При этом даже если инструкция, модицифицирующая переменную никогда не будет выполнена, интерпретатор это проверить не может, и переменная все равно считается локальной. Пример:

def f(): print(a) if False: a = 0 a = 1 f()

Возникает ошибка: UnboundLocalError: local variable ‘a’ referenced before assignment . А именно, в функции f() идентификатор a становится локальной переменной, т.к. в функции есть команда, модифицирующая переменную a , пусть даже никогда и не выполняющийся (но интерпретатор не может это отследить). Поэтому вывод переменной a приводит к обращению к неинициализированной локальной переменной.

Чтобы функция могла изменить значение глобальной переменной, необходимо объявить эту переменную внутри функции, как глобальную, при помощи ключевого слова global :

def f(): global a a = 1 print(a) a = 0 f() print(a)

В этом примере на экран будет выведено 1 1, так как переменная a объявлена, как глобальная, и ее изменение внутри функции приводит к тому, что и вне функции переменная будет доступна.

Тем не менее, лучше не изменять значения глобальных переменных внутри функции. Если ваша функция должна поменять какую-то переменную, пусть лучше она вернёт это значением, и вы сами при вызове функции явно присвоите в переменную это значение. Если следовать этим правилам, то функции получаются независимыми от кода, и их можно легко копировать из одной программы в другую.

Например, пусть ваша программа должна посчитать факториал вводимого числа, который вы потом захотите сохранить в переменной f. Вот как это не стоит делать:

def factorial(n): global f res = 1 for i in range(2, n + 1): res *= i f = res n = int(input()) factorial(n) # дальше всякие действия с переменной f

Этот код написан плохо, потому что его трудно использовать ещё один раз. Если вам завтра понадобится в другой программе использовать функцию «факториал», то вы не сможете просто скопировать эту функцию отсюда и вставить в вашу новую программу. Вам придётся поменять то, как она возвращает посчитанное значение.

Гораздо лучше переписать этот пример так:

# начало куска кода, который можно копировать из программы в программу def factorial(n): res = 1 for i in range(2, n + 1): res *= i return res # конец куска кода n = int(input()) f = factorial(n) # дальше всякие действия с переменной f

Если нужно, чтобы функция вернула не одно значение, а два или более, то для этого функция может вернуть список из двух или нескольких значений:

return [a, b]

Тогда результат вызова функции можно будет использовать во множественном присваивании:

Рекурсивная функция в python

Рекурсию не очень просто понять при первом знакомстве, но без ее понимания в разработке будет тяжело. В этом материале рассмотрим:

• Рекурсивную функцию поиска факториала.
• Как рекурсивные функции работают в коде.
• Действительно ли рекурсивные функции выполняют свои задачи лучше итеративных?

Рекурсивные функции

Рекурсивная функция — это та, которая вызывает сама себя.

В качестве простейшего примера рассмотрите следующий код:

 
def factorial_recursive(n): 
if n == 1: 
return n 
else: 
return n*factorial_recursive(n-1) 

Вызывая рекурсивную функцию здесь и передавая ей целое число, вы получаете факториал этого числа (n!).
Вкратце о факториалах
Факториал числа — это число, умноженное на каждое предыдущее число вплоть до 1.

Например, факториал числа 7:
7! = 7*6*5*4*3*2*1 = 5040

Вывести факториал числа можно с помощью функции:
 
num = 3 
print(f"Факториал это ") 

Эта функция выведет: «Факториал 3 это 6». Еще раз рассмотрим эту рекурсивную функцию:
def factorial_recursive(n): . 
По аналогии с обычной функцией имя рекурсивной указывается после def , а в скобках обозначается параметр n :
def factorial_recursive(n): if n == 1: return n else: return n*factorial_recursive(n-1)
Благодаря условной конструкции переменная n вернется только в том случае, если ее значение будет равно 1. Это еще называют условием завершения. Рекурсия останавливается в момент удовлетворения условиям.
def factorial_recursive(n): if n == 1: return n else: return n*factorial_recursive(n-1)
В коде выше выделен фрагмент самой рекурсии. В блоке else условной конструкции возвращается произведение n и значения этой же функции с параметром n-1 .
Это и есть рекурсия. В нашем примере это так сработало:
3 * (3-1) * ((3-1)-1) # так как 3-1-1 равно 1, рекурсия остановилась
Детали работы рекурсивной функции
Чтобы еще лучше понять, как это работает, разобьем на этапы процесс выполнения функции с параметром 3.
Для этого ниже представим каждый экземпляр с реальными числами. Это поможет «отследить», что происходит при вызове одной функции со значением 3 в качестве аргумента:
 
# Первый вызов 
factorial_recursive(3): 
if 3 == 1: 
return 3 
else: 
return 3*factorial_recursive(3-1) 
 
# Второй вызов 
factorial_recursive(2): 
if 2 == 1: 
return 2 
else: 
return 2*factorial_recursive(2-1) 
 
# Третий вызов 
factorial_recursive(1): 
if 1 == 1: 
return 1 
else: 
return 1*factorial_recursive(1-1) 

Рекурсивная функция не знает ответа для выражения 3*factorial_recursive(3–1) , поэтому она добавляет в стек еще один вызов.
Как работает рекурсия
/\ factorial_recursive(1) - последний вызов || factorial_recursive(2) - второй вызов || factorial_recursive(3) - первый вызов
Выше показывается, как генерируется стек. Это происходит благодаря процессу LIFO (last in, first out, «последним пришел — первым ушел»). Как вы помните, первые вызовы функции не знают ответа, поэтому они добавляются в стек.
Но как только в стек добавляется вызов factorial_recursive(1) , для которого ответ имеется, стек начинает «разворачиваться» в обратном порядке, выполняя все вычисления с реальными значениями. В процессе каждый из слоев выпадает в процессе.

factorial_recursive(1) завершается, отправляет 1 в
factorial_recursive(2) и выпадает из стека.
factorial_recursive(2) завершается, отправляет 2*1 в
factorial_recursive(3) и выпадает из стека. Наконец, инструкция else здесь завершается, возвращается 3 * 2 = 6, и из стека выпадает последний слой.

Рекурсия в Python имеет ограничение в 3000 слоев.
 
>>> import sys 
>>> sys.getrecursionlimit() 
3000 

Рекурсивно или итеративно?
Каковы же преимущества рекурсивных функций? Можно ли с помощью итеративных получить тот же результат? Когда лучше использовать одни, а когда — другие?
Важно учитывать временную и пространственную сложности. Рекурсивные функции занимают больше места в памяти по сравнению с итеративными из-за постоянного добавления новых слоев в стек в памяти. Однако их производительность куда выше.

Рекурсия может быть медленной, если реализована неправильно

Тем не менее рекурсия может быть медленной, если ее неправильно реализовать. Из-за этого вычисления будут происходить чаще, чем требуется.
Написание итеративных функций зачастую требуется большего количества кода. Например, дальше пример функции для вычисления факториала, но с итеративным подходом. Выглядит не так изящно, не правда ли?
 
def factorial_iterative(num): 
factorial = 1 
if num < 0:
print("Факториал не вычисляется для отрицательных чисел") 
else: 
for i in range (1, num + 1): 
factorial = factorial*i 
print(f"Факториал это ") 

Что такое рекурсия в Python и как ее использовать
Рекурсия — это техника в программировании, при которой функция вызывает сама себя для решения подзадачи, которая является частью исходной задачи. Рекурсия делает код более кратким и понятным, но может привести к проблемам с памятью и производительностью, если не используется правильно.
Принцип работы рекурсии
Рекурсивные функции состоят из двух частей: базового случая и рекурсивного случая. Базовый случай — это условие, при котором функция прекращает вызывать саму себя и возвращает результат. Рекурсивный случай — это условие, при котором функция вызывает саму себя для решения меньшей подзадачи.
Пример рекурсии: вычисление факториала
Факториал числа n ( n! ) — это произведение всех натуральных чисел от 1 до n . Например, 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120 . Факториал можно выразить через рекурсию следующим образом:

Базовый случай: если n равно 1, то n! = 1
Рекурсивный случай: если n больше 1, то n! = n * (n-1)!

def factorial(n): if n == 1: return 1 else: return n * factorial(n-1)
Python-разработчик: новая работа через 9 месяцев

Получится, даже если у вас нет опыта в IT

Проблемы с рекурсией и их решение
Рекурсия может привести к проблемам с памятью и производительностью, поскольку каждый вызов рекурсивной функции добавляет новый уровень в стек вызовов. Если рекурсия слишком глубокая, то может возникнуть ошибка переполнения стека.
Для решения этой проблемы можно использовать технику «мемоизации» — сохранение результатов рекурсивных вызовов в словаре и повторное использование их при необходимости. Это позволяет избежать повторных вычислений и ускорить выполнение рекурсивных функций.
def memoize(f): cache = <> def memoized_function(*args): if args not in cache: cache[args] = f(*args) return cache[args] return memoized_function @memoize def factorial(n): if n == 1: return 1 else: return n * factorial(n-1)
Когда использовать рекурсию
Рекурсия является удобным инструментом для решения задач, которые могут быть разложены на меньшие подзадачи. Такие задачи включают в себя обход деревьев, графов, вычисление чисел Фибоначчи, факториалов и др.
Однако следует помнить о возможных проблемах с памятью и производительностью, и использовать рекурсию с умом. В некоторых случаях, итеративные решения могут быть более эффективными и простыми для понимания.
�� Теперь вы знаете основы рекурсии в Python и как ее использовать. Не забывайте про базовые и рекурсивные случаи, а также об оптимизации с помощью мемоизации при необходимости. Удачного программирования!


Похожие публикации:

Git fetch что это
Как настроить vpn для обхода блокировок
Как поменять шрифт в html
Как узнать размерность массива vba