Бауэр Ф.Л., Гооз Г. Информатика. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

2.4. О

технике

рекурсивного

программирования

151

сортировке из

1.6.2,

где имеется большая

свобода

в выборе-

Ipart

rpart.

Характеристическое

свойство

здесь

таково:

нова»

последовательность

знаков

должна

быть

перестановкой

исходной и

удовлетворять

предикату

issorted

\ который можна

задать,

например,

следующим

способом:

funct

hsortedis(string

bool:

lengtb(a)<l

then

true

else

iffirst(a)>first(resl(a))

then

false

else

issorted

{rest

{a))

fi fi

function

issorted\a\slring):Boolean

;

begin

length

(a)

< 1

then

issorted

-s

true

else

first

(a)>first

(rev

(a))

then

issorted

false

else

issorted

(rest

(a))

end

использованием

Ipart

rpart

это

может

быть

записано

эквивалентном,

но

более

общем

виде:

funct

issortedl

ш(string

bool:

length

(a) Ski

then

true

else

last(lpar!(a))>first(qwrt(a))

then

false

else

is\ortedl(lpart(a))

issortedl(rpart(u))

fi fi

function

issortedJ(a:slr!ng)'.

Boolean

begin

length

(a)

< I

then

issortedl

<=.tn,^

else

last(lpart{a))>first(rpari(ti))

then

issortedl

false

else

issortedl

-»

issorted

(lpart(a))

and

issortedl(rpart(a))

end

Отсюда

уже

легче

прийти

решению,

приведённому

2.3.2 (f).

2.4.1.6.

Обращение

Один

из

самых распространённых типов задачи

—

задачи

на обращение функций.

Мы

обсудим

заключение

(на

примере-

с двоичными списками, см.

2.1.3.5)

вопрос

об

обращении функ-

ции,

заданной посредством алгоритма.

Размеченные бинарные деревья можно понимать

как

кодо-

вые деревья двоичных кодирований, удовлетворяющих условию-

Фано.

Для

декодирования последовательности знаков

О, L

sorted

(сортированный). —

Прим.

изд. ред.

152

Гл.

Основные

понятия

программирования

имеем

алгоритм

funct

decod

s(lisp

bits

со

а -

элемент кода, опре-

деляемого

списком

со) char:

if isatom

(s)

vae О

then

val(s)

else

first

(а)-О

then

decod(car(s),

rest

(a))

then decod

(cdr(.t),

re.il(a))

fifi

function

decod

(s:

%>;

bitstring

{a—

элемент

кода,

опре-

деляемого

списком

sj):

СЛЙГ

;

begin

if isatom(s)

isempty{a)

then decod

val(s)

else

if,/?M/(a)

= O

then decode

decod(car

(s),

rest

(a))

first

(a)

= L

then

rfecorf

deeod(cdr(s),

rest(a))

end

Его

обращение

определяется

так:

funct

cods

(lisp

s, char л)

bits.'

любое

двоичное слово

а ,

такое что

iecod(s,a)-Xf>.

Решением

служит

funct

codsQisp

s; char

со

contains

(s,

x) со)

bits

isalom

(s)

then

else

contains

(car(s),x)

then

(O>

cod(ca'r(<),x)

contains(cdr(s),x)

then

<Xi-\-cod(cdrU),x)

fi fi

где

funct

contains

(lisp

charx)

function

cerf(5:

/i^:

CAOA)

;

bitstring;

«любое

двоичное слово

такое что

decod

(t,

a) =x».

function

coU(s: lisp;

х:

char

{contains

(s, Л))) :

bit

ring:

begin

if isalom

(s)

then

cod -^

empty

else

coniains(ccw(s)

then сЫ

<=prefix(p,

cod(car(s),x))

contains

(cdr(s)

then

<•<«/

prefix().,

cod(cdr(s),xy)

end

bool:

isatom

(s)

then x

oa7(5)

else

contains

(car

{sS,\)

cuntains(cdr$),y)

function

contains(s\lisp\

x'.char):

Boolean

;

begin

if isatom (s)

then contains -cx

—

val(s)

else

contains

•«*

contains(car(s),x)

contain*

(cdr(s),x')

end

Ниже

decod,

cod и

contains —

соответственно

от

decode

(декодиро-

ван.),

code

(кодировать)

contains

(содержит).

—

Прим.

изд. ред.

2.4. О технике рекурсивного программирования 155

Если

„проиграть" этот алгоритм на машине обработки фор-

муляров, то мы увидим, что в (каскадной) рекурсии для

contains

повторяются вызовы вычислений при одних и тех же

значениях аргумента. Чтобы избежать этого, надо построить пол-

ную кодовую таблицу. Это особенно выгодно, если имеется

много вызовов функции cod с одним и тем же значением

аргу-

мента s

(частичное

вычисление,

см. 2.6.3).

2.4.2.

Как

доказывать

свойства

алгоритмов?

Утверждения о свойствах алгоритмов весьма важны для по-

нимания

их сути. Так, подпрограммы

merge,

gcd и .+. обладают

тем свойством, что они допускают перестановку аргументов,

а значит задают коммутативные двуместные операции. Дока-

зать этот факт, исходя из рекурсивного определения, стоит

значительно больших усилий.

В случае подпрограммы

merge

из 2.3.2 (f) указанное свой-

ство устанавливается просто. Запись этой подпрограммы сим-

метрична относительно и и и, при перестановке и и v она пере-

ходит сама в себя, поскольку порядок отдельных ветвей при»

охраняемом разборе случаев не имеет значения. Здесь интере-

сующее нас свойство видно с одного взгляда на подпрограмму.

В случае подпрограммы

gcdl

из

2.3.2(d)

необходимо снача-

ла преобразовать подпрограмму. Нам достаточно показать, что

для m < п справедливо равенство

gcdl{m,

n) =

gcdl

(n, m).

Но

из данного в

2.3.2(d)

определения подпрограммы mod сле-

дует,

что

т <

п=>mod{m,n)

= m,

поэтому

gcdl{m,n)

= {\\ n = Q

then

else

gcdl(n,m)

fi).

Тем самым для п >0 доказано, что

gcdl(m,

п) =

gcdl

(n, т).

Чтобы установить равенство

gcdl(m,

0) =

gcdl

(0, m), достаточ-

но

рассмотреть случай т ф 0. В этом случае, однако, по опре-

делению,

gcdl{0,

m) —

gcdl(m,

mod(0,

m)), a

mod(0,

m) = 0.

Наконец,

в случае подпрограммы

plus

из

2.4.1.2

доказать

коммутативность такими преобразованиями нельзя, здесь не-

обходимо прибегнуть к доказательству по индукции (Сколем,.

1923 г.).

Часто при решении задач исходят из характеристических

свойств искомого алгоритмического решения (см.

2.4.1.5).

Если

надо убедиться, что данная (рекурсивная) подпрограмма яв-

ляется решением, то это делают, выводя из неё все требуемые

свойства. Например, подпрограмма mod из 2.3.2 (с) обладает

154 Гл. 2.

Основные

понятия

программирования

(характеристическими) свойствами

3 int q:a = qXb-

Однако доказать это не проще, чем прямо вывести из этих

свойств, что

(mod(a

— b,b) при а^Ь,

mod(a,b)

= \ ,

(

а при а < Ь.

Отсюда уже сразу можно извлечь рекурсию, применяемую

•в подпрограмме

mod,—

остаётся только провести доказательство

окончания

рекурсии.

Утверждения о некотором алгоритме иногда

легче

вывести из

его характеристических свойств, чем из самого алгоритма.

Часто прямо из характеристического предиката можно полу-

чить свойства, которые имеют место для всякого (корректного)

алгоритма, отвечающего этому предикату. При этом детали ха-

рактеристического предиката

могут

быть совершенно неважны.

Проиллюстрируем это на следующем ярком примере.

Пусть для произвольного сорта к отображение f задано так:

funct / = (ка)к: «то х сорта к, для которого хра = Ь»,

•где

b — произвольный

фиксированный

элемент

из X, и .р. — дву-

местная операция над к, которая ассоциативна и одно-

значно

разрешима

. В таком

случае

Следовательно, f инволютивно, если b коммутирует со всеми эле-

ментами из к

Аналогичным образом, достаточно знать (доказательство

этого факта, правда, нетривиально), что подпрограмма

sort

{см. 2.3.2 (f)) отображает все перестановки некоторой последо-

вательности знаков в одну и ту же последовательность, чтобы

доказать, что

sort

(sort

(a)) =

sort

(a),

т. е. что операция сортировки является идемпотентной. (Если

•сортировка проводится лишь по некоторому признаку, то

могут

встретиться различные карточки с одинаковым признаком; при

недетерминистическом выполнении подпрограммы

sort

оконча-

тельный порядок этих карточек не регламентирован, так что

этом

случае

идемпотентности нет.)

Читается: „существует целое число q, такое что..".

В том смысле, что однозначно разрешимо относительно х уравнение

jcpa

==&.--

Прим.

изд. ред.

2.4. О технике рекурсивного программирования 155

2.4.3.

Некоторые

замечания

об

окончании

и о

роли

предохранителей

стражей

„Во

всех

делах

твоих

помни

конце

твоём."

Книга

премудростей Иисуса

сына

Сирахова, 7, 36

2.4.3.1

Приведённые

выше примеры показывают, что нельзя рассчи-

тывать на окончание рекурсивного алгоритма как на что-то

само собой разумеющееся. Впрочем, никто и не ожидает, чтобы,

закончились

алгоритм вычисления факториала для отрицатель-

ного числа или алгоритм нахождения остатка при целочислен-

ном

делении на нуль. В том что алгоритм здесь не заканчивает-

ся,

гораздо больше смысла, чем если бы он выдал какое-нибудь

значение,

не имеющее никакого отношения к поставленной за-

даче.

Чтобы указать область окончания алгоритма, в заголовок

подпрограммы вводят соответствующий предохранитель

(см.

2.3.1.3)

и таким образом приходят к

всюду

определённой

функции.

Если при этом следить, чтобы соблюдение условия-

предохранителя всегда обеспечивалось соответствующим стра-

жем, то отпадает необходимость в „сообщениях об ошибке".

Однако область определения рекурсивной подпрограммы

нельзя,

конечно, ограничивать посредством предохранителей

произвольным образом. При этом надо учитывать и все вопло-

щения.

Например, ограничение, которое использовано в

следую-

щей

подпрограмме:

funct/ace(Int п

соп~>\

со) int:

If л«0

then I

else nxfac{n — 1) fi

funct!on/ac(/7;

integer

[п^Щ;

integer

begin

if л=.О

thenfaC<f-1

else/ас

<«

n */ac (ii -1)

end

недопустимо — последнее, завершающее воплощение fac не удо-

влетворяет условию-предохранителю.

2.4.3.2

Часто условия в альтернативах и в последовательных разбо-

рах случаев либо стражи в охраняемых разборах случаев авто-

матически гарантируют, что в соответствующих ветвях

тре»

156 Гл.

Основные

понятия

программирования

буемые

для

рекурсивного вызова условия-предохранители

будут

соблюдены.

Например,

подпрограмме

gcdl из

2.3.2(d)

подпрограмма

mod вызывается только

ветви

со

стражем

п > О,

поэтому

вы-

полнение

условия-предохранителя

п >

всегда

оканчивающе-

гося алгоритма

funct

mo</=

(int

int п

сотйОлп>0

со)

int:

if m<n

then

else

mod(m~n,

function

mod(m,

integer

{(m^O) Л (n>0)});

integer;

begin

if m < n

then

mod

-с

else

mod

mod(m—n,

end

гарантировано. (Условие

m ^ 0

„унаследовано"

от gcdl.)

2.4.3.3

этому стоит добавить,

что

замена последовательной

конъ-

юнкции

или

дизъюнкции

на

строгую

не

только

ведет

большей

работе,

но и

может привести просто

нарушению „охрани-

тельной функции", необходимой

как раз в

рекурсивной

си-

туации.

Если,

например, тело оканчивающейся подпрограммы

issorted

из

2.4.1.5

преобразовать

виду

funct

issorted

(string a) bool:

length

(a)<lv

ifjirst

(a) >

first

{rest

(a))

then

false

else

issoned

(rest

(a))

то алгоритм заедет

„не определено

2.4.3.4

Строя

подпрограмму

помощью рекуррентных равенств,

надо внимательно следить

за тем,

чтобы подпрограмма действи-

тельно заканчивалась.

Так, для

подпрограммы

gcdl из

2.3.2(d),

«справедливо равенство

gcdl{m,n)

= gcdl{m mod n,n) (n > 0).

2.5.

Подчинение

подпрограмм

157

Однако алгоритм

m,n

со)

int:

n = 0

then

else

gcc!2(m

mod n, n) fi

для n > 0 не заканчивается!

function

gcd2{m,

n '.

integer

\т а 0 л и Ь 0)):

integer;

begin

if и = 0

then

gcd2

else

0«/2

<= gcd2(m

mod И,и)

end

2.4.3.5

Доказательство окончания подпрограммы может потребовать

сложных логических или математических рассуждений. Дадим

образчик

такого доказательства на примере приведённой выше

подпрограммы mod.

Если

п > 0, то и т — п <С т; с каждым шагом рекурсии зна-

чение первого аргумента убывает. Через некоторое конечное

число шагов оно станет меньше п и алгоритм закончит свою

работу ввиду наличия предохранителя т ^ 0.

2.5. Подчинение подпрограмм

2.5.1.

Подчинённые

подпрограммы

Часто „снаружи" интересуются лишь какой-нибудь одной из

подпрограмм данной системы. Так бывает не только с иерархи-

чески построенными системами вроде

(isprim,

ispr)

из 2.4.1.3,

«о и с перекрёстными рекурсивными системами, такими как

(ispos,

isneg)

из

2.4.1.4.

В таких случаях локального употребле-

«ия подпрограмм, введённых как вспомогательные по отноше-

нию

к некоторой

„основной",

можно через

подчинение

их этой

основной

подпрограмме выразить запрет на их использование

„извне".

Это подчинение указывается при помощи соответствую-

щих скобок (рис. 79).

Аналогично для fac и

facr

(см.

2.4.1.3),

gcdl

и mod

(см.

2.3.2). Для

ispos

isneg

подчинение второй подпрограммы

первой выражается, как показано на рис. 80.'

В алголе формула, которой предшествует подчинённая под-

программа, называется

сегментом

или

предложением.

Сегмент

заключают в скобки-уголки

Г J • В качестве разделительного

В стандартном паскале транслятор вообще

требует,

чтобы

вызову

не-

.которой подпрограммы предшествовало её описание (или по крайней

.мере „предварительное оповещение" [08]).

В стандартном

алголе-68

используются словарные скобки

begin

end.

158

Гл. 2. Основные понятия программирования

знака

между

подпрограммой и формулой используют точку с

запятой.

Сегмент

сам

является

формулой

{в

обобщённом

смысле)

может

выступать

как в

качестве

операнда

операции

(и в раз-

борах

случаев

'), так и в

качестве

тела

подпрограммы.

functfc/>nms;(int

со)

booh

co)bool:

if m=n

then

true

else if л mod /я

then false.

if n

=-1

then

false

else

ispr{n,

2) fi

function

isprim

in;

integer

{ni.1});

Boolean

function

ispr(n,m\

integer

\2<m%n});

Boolean

begin

if m

then

ispr

true

else

if л

modm

= 0

then

ispr

false

else

wpr * wpr

(и,

/и +1)

end;

begin

then

/j/»r/m

©lee

fr/rfm

end

false

Рис.

79.

В паскале конец подчинённой подпрограммы указывается-

с помощью словарной скобки end, которая соотносится со стоя-

щей в начале

тела

скобкой

begin;

отвечающая сегменту конст-

рукция (вместе с фиксацией

результата

под некоторым обозна-

чением)

будет

названа в 3.2.4

оператором.

В соответствии с произведённым подчинением связываются-

обозначения подчинённых подпрограмм (а не только их пара-

метры), а именно связываются в

пределах

данного сегмента, а

если он

служит

телом подпрограммы — то в

пределах

этой под-

программы

(область

связывания).

Областью связывания для подпрограммы

isneg

(в этой обла-

сти обозначение

isneg

можно заменить произвольным, лишь бы

взаимосогласованным образом) является

тело

„главной" под-

программы

ispos.

Подчинённые подпрограммы вводят, в частности,

тогда,,

когда имеется несколько подвыражений, одинаково устроенных,,

но

с различными обозначениями. Это позволяет сократить

запись:

Пример.

Формула (*) из

2.2.2.2

if.then,

elsf.then,

(J.then,

then.elsf,

then. [], then.fi, then.else,

else.fi

дей-

ствуют

как скобки-уголки.

2.5.

Подчинение

подпрограмм

159

unct

hpos

(string

bool!

ХЬхм&йпед

в (string m) bool:

£>

then

false

elseiffirst(m)«"-"

then ispos(rest(m))

fi(

ttyen

!sneg(firsl(myy

fi fr

if Ж

« О

then

true

elseiffirst(m)

"-"

then

isneg(rest(m))

first

(m)='•'+»

then

wp<w

(/•«/

(m))

fi fi

(m:

string)

-.Boolean;

function isnegim

-.string)

-.Boolean',

begin

isempty(m)

then

isne<7

false

e\se if first

(m)='~'

then «

then

wne^

•«=

lsneg(resl(m))

end;

begin

isempty(m)

then

wpo*

y()

then

w/joj

•*=

isneg

(rest

(m))

Ufirst(m)~'+'

then

ispos

ispos(resi(m)')

end

Рис.

80.

может быть записана

виде следующего сегмента, соответствен-

но

оператора (>Res< снова обозначает „результат",

см.

2.3.1.2):

rfunct

= (real

u,v,w)

real

h{b,a,d)+h(a,b,c)

function

(u,

real):

real;

begin

h «

(u*2

v)i>w

end

;

begin

>Res<

^h(b,

end

Этот сегмент (соотв. оператор) можно было использовать

теле

подпрограммы

/ из

2.3.1.2.

Хотя такое введение вспомогательной подпрограммы

и при-

водит

сокращению записи, никакой экономии вычислений

при

этом

не

достигается.

2.5.2.

Подавленные

параметры

2.5.2.1.

Глобальные

нелокальные

параметры

'Dog!

That

ain't

jittin' name

for

dog."'

Ричард

Нэш

'The

rainmaker'

Иногда

бывает,

что

какой-то параметр подчинённой подпро-

граммы

при

всех

её

возможных вызовах остаётся неизменным,—

„Пёс!

Неподходящее

это

имя

для пса." —

Прим. перев

Н.

Ричард

Нэш (род.

1916),

современный

американский

драматург.-

Прим.

ред.

Буквально:

„Делающий

дождь" {англ.).

Эта

пьеса

шла у нас под

названием

„Продавец

дождя".

—

Прим. перев.

160

Гл 2. Основные понятия программирования

если пользоваться карточной терминологией, „пасует". Именно

так

обстоит дело в сегменте, который после подчинения подпро-

граммы

ispr

даёт

тело подпрограммы

isprim

из 2.5.1: первый па-

раметр п подпрограммы

ispr

„пасует" в вызове

ispr(n,

2) и во

всех

рекурсивных вызовах

ispr(n,

т-\- 1). Поскольку подпро-

грамма

ispr

— подчинённая, можно отказаться от задания этого

параметра (и тем самым сделать его неизменяемым); новое тело

rfunct

isprl

(int m

со

l^mSn

со) bool:

If m

then

true

else

if л mod m = 0

then

false

else

isprl

(m+1) fi fi;

if«

then

false

else

isprl

(2) f

function

isprl

(m:

integer

{2йтйп))\

Boolean;

begin

if m = n

then

nprl

-»true

else

if л mod m = 0

then

/.yvJ -^

false

else

w/>/7

•«=

is/^ ("' +1)

end;

begin

if я = i

then

is/>Wm

false

else

isprim

uyrJ (2)

end

Рис.

81.

isprim

примет в таком

случае

вид, показанный на рис. 81.

В этом сегменте (соотв. операторе) п обозначает

подавленный

параметр.

Если сегмент (соогв. оператор), как только что выше,

стоит — или рассматривается — изолированно, то подавленный

параметр называют также

глобальным

параметром сегмента

(соотв. оператора).

В общем же

случае

подавленный параметр обычно является

связанным

в некоторой „главной" подпрограмме, в нашем при-

мере глобальный параметр п связан в подпрограмме

isprim,

имеющей заголовок

f unct

isprim

= (int n

со

со) boo!:

function

isprimin

'.integer

Boolean;

В такой ситуации подавленный параметр называют

нелокаль-

ным—

отличие от неподавленных параметров, которые назы-

вают

локальными.

В нашем примере п — нелокальный, a m —

локальный

параметры подпрограммы

isprl

теле

подпрограммы

isprim.

Также и в системе

(gcdl,

mod) из

2.3.2(d)

второй параметр

подпрограммы mod „пасует". После подчинения mod этот пара-

метр может быть подавлен; тело подпрограммы

gcdl

примет