Question

常见算法1——递归算法

Answer 1

递归算法就是通过自身不断反复调用自身以解决问题，其中最经典的也就是汉诺达和斐波纳契数列的问题了。
1.汉诺塔问题
在印度，有这么一个古老的传说：在世界中心贝拿勒斯（在印度北部）的圣庙里，一块黄铜板上插着三根宝石针。印度教的主神梵天在创造世界的时候，在其中一根针上从下到上地穿好了由大到小的64片金片，这就是所谓的汉诺塔。不论白天黑夜，总有一个僧侣在按照下面的法则移动这些金片，一次只移动一片，不管在哪根针上，小片必在大片上面。当所有的金片都从梵天穿好的那根针上移到另外一概针上时，世界就将在一声霹雳中消灭，梵塔、庙宇和众生都将同归于尽。

分析：挪到C的金片也是从下到上由大到小的顺序排列，那么A之剩下最下面的金片移动到C的时候，C上面是不可以有金片的，这个时候A上面只有第n个金片，B上面有n-1个金片，C上面没有金片，然后这个情况就和刚开始情况相同了，只不过A和B颠倒了位置而已。
（1）n-1个金片从A通过C移动到B，n-1个金片从A通过C移动到B也是不断调用自身逐步缩小范围。通过递归调用后，就完成了A上面仅剩下最大的金片，C上面没有金片，B上面有n-1个金片。
（2）最大的那个金片从A移动到C
（3）调用自身重复刚开始的情况，只不过现在有金片的是B，即B通过A把金片移动到C。

2.斐波纳契数列
2.1生兔子问题
古典问题：3个月起每个月都生一对兔子，小兔子长到第三个月后每个月又生一对兔子，假如兔子都不死，问每个月的兔子总数为多少？下面先从小到大分析下这个情况
分析：假设将兔子分为小中大三种，兔子从出生后从第三个月开始每个月就会生出一对兔子，也就是一旦兔子变为大兔子那么他就生了一对兔子
分析情况图如下

很明显这个是一个为斐波那契数列，即如果用f(n)表示第n个月的兔子的对数，那么f(n)=f(n-1)+f(n-2)

2.2走台阶问题
一个台阶总共有n级，如果一次可以跳1级，也可以跳2级。求总共有多少总跳法，并分析算法的时间复杂度。
分析：假设我们现在还有最后一步要走，可能的情况有哪些？
（1）我们站在第9级上，一步1级后到达顶端；
（2）我们站在第8级上，一步2级后到达顶端；
所以，最后一步可以走1级或者2级，不外乎两种情况。
再假设，已知从0级到9级的走法有M种，从0级到8级的走法有N种，那么从0到10级的走法和M、N有什么关系呢？从0到10级的走法一共是多少种呢？答案是M+N。
所以逐步递归，说白了，这还是个Fibnacci数列。即f(n)=f(n-1)+f(n-2)，事件复杂度是2^n

台阶问题的变种:
一个台阶总共有n级，如果一次可以跳1级，也可以跳2级.....也可以跳n级。求总共有多少总跳法

分析：用Fib(n)表示跳上n阶台阶的跳法数。如果按照定义，Fib(0)肯定需要为0，否则没有意义。但是我们设定Fib(0) = 1；n = 0是特殊情况，通过下面的分析就会知道，强制令Fib(0) = 1很有好处。因为Fib(0)等于几都不影响我们解题，但是会影响我们下面的分析理解。

当n = 1 时， 只有一种跳法，即1阶跳：Fib(1) = 1;

当n = 2 时， 有两种跳的方式，一阶跳和二阶跳：Fib(2) = 2;

到这里为止，和普通跳台阶是一样的。

当n = 3 时，有三种跳的方式，第一次跳出一阶后，对应Fib(3-1)种跳法； 第一次跳出二阶后，对应Fib(3-2)种跳法；第一次跳出三阶后，只有这一种跳法。Fib(3) = Fib(2) + Fib(1)+ 1 = Fib(2) + Fib(1) + Fib(0) = 4;

当n = 4时，有四种方式：第一次跳出一阶，对应Fib(4-1)种跳法；第一次跳出二阶，对应Fib(4-2)种跳法；第一次跳出三阶，对应Fib(4-3)种跳法；第一次跳出四阶，只有这一种跳法。所以，Fib(4) = Fib(4-1) + Fib(4-2) + Fib(4-3) + 1 = Fib(4-1) + Fib(4-2) + Fib(4-3) + Fib(4-4) 种跳法。

当n = n 时，共有n种跳的方式，第一次跳出一阶后，后面还有Fib(n-1)中跳法； 第一次跳出二阶后，后面还有Fib(n-2)中跳法..........................第一次跳出n阶后，后面还有 Fib(n-n)中跳法。Fib(n) = Fib(n-1)+Fib(n-2)+Fib(n-3)+..........+Fib(n-n) = Fib(0)+Fib(1)+Fib(2)+.......+Fib(n-1)。

通过上述分析，我们就得到了通项公式：

因此，有 Fib(n-1)=Fib(0)+Fib(1)+Fib(2)+.......+Fib(n-2)

两式相减得：Fib(n)-Fib(n-1) = Fib(n-1) =====》 Fib(n) = 2*Fib(n-1) n >= 3

这就是我们需要的递推公式：Fib(n) = 2*Fib(n-1) n >= 3