Upload
hilbert-eger
View
115
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt1
SFZ FN Sj. 13/14
Python 3 Rekursion
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt2
Rekursion Prinzip der Rekursion: In einer Funktion wird die Funktion wieder
aufgegriffen. Das darf allerdings nicht ohne Ende geschehen. Wikipedia: Das Grundprinzip der Rekursion ist das Zurückführen einer
allgemeinen Aufgabe auf eine einfachere Aufgabe derselben Klasse. Das Grundprinzip der rekursiven Definition einer Funktion f ist: Der
Funktionswert f(n+1) ergibt sich durch Verknüpfung bereits berechneter Werte f(n), f(n-1), ... f(1) wird allerdings auf andere Art bestimmt.
Beispiel: Berechne n! Vorgehen: n! = n* (n-1)!. Das heißt, ich kann n! berechnen, wenn ich (n-1)! kenne.Es gilt 1!=1.
fak01.py: Schreibe ein Programm mit der Methode fakrek(n), die n! rekursiv berechnet. Sie ruft fakrek(n-1) auf und multipliziert das Ergebnis von fakrek(n-1) mit n. Dieses Ergebnis wird dann zurückgegeben. Ist n==1: return 1. Bestimme die ersten 100 Glieder von der Folge (n!)
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt3
Rechenzeit
Rekursionen sind langsam und erfordern vom PC viel Aufwand.
Wir wollen nun die Rechenzeit bestimmen, die man benötigt, um alle Fakultäten rekursiv von 1 bis 500 zu bestimmen.
Ergänze fak01 und speichere es als fak01a.py um die benötigten Befehle.
from time import timestartzeit = time()… Rechnung …endzeit = time()print "Benötigte Rechenzeit = %8.6f s" %(endzeit-startzeit)
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt4
Iteration statt Rekursion Wie kann man die Probleme von rekursiven Methoden lösen?
– Oft kann man Rekursionen durch Schleifen ersetzen– Oder man wendet das Prinzip der Rekursion mit Generatoren an
fak02.py: Schreibe ein Programm, das die Fakultät in Form einer Schleife berechnetNenne die Methode fakiter(n)
Das Programm soll die Methode weiterhin fakrek enthalten und die Rechenzeiten vergleichen.
Ergebnis: Die Rechenzeiten unterscheiden sich recht wenig. Das ist nicht immer so. Auf der nächsten Folie schauen wir uns ein komplexeres Problem an.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt5
Fibonacci-Folge, fib01,py Die Fibonacci-Folge: Die Fibonacci-Folge ist rekursiv
definiert: fib(n)=fIb(n-1)+fib(n-2) und fib(1)=fib(2)=1.– Die Fibonacci-Zahlen resultieren aus einem "künstlichen" Kaninchenproblem,
das die folgenden Bedingungen erfüllt: – Die Anfangspopulation wird von einem Kaninchenpaar gebildet – Ein neugeborenes Kaninchenpaar kann sich erst am Ende des ersten Monats
paaren und wirft am Ende des zweiten Monates ein weiteres Paar. – Ansonsten wirft jedes Kaninchenpaar jeweils ein weiteres Kaninchenpaar pro
Monat. – Sie sind unsterblich
Aufgabe fib01.py : Schreibe eine Methode fibr1(), die die Fibonacci-Folge rekursiv berechnet.Bestimme die ersten 30 Glieder derFibonacci-FolgeBestimme die Rechenzeit.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt6
Probleme der Rekursion
Warum dauert das Programm so lange? Wenn man z.B. fib(6) berechnet, sieht der
Aufrufbaum wie folgt aus: fib(2) wird also 5 mal aufgerufen.
Wie lässt sich dies verbessern?Ein iterative Lösung findet sich nicht (so leicht).
Was geht dann? Python bietet zwei Verfahren
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt7
Verbesserung 1: fib02.py
Jedes Mal wenn wir ein Folgenglied berechnet haben, speichern wir den Wert in einer Liste namens fibMem ab.
Siehe fib02.pyAufgabe: Schreibe das Programm selbstNenne die entsprechende Methode fibr2()Messe die Rechenzeit für fibr2()
Ergebnis: Wenn wir fibr1(35) aufrufen, benötigt das Programm knapp 9 sWenn wir fibr2(999) aufrufen, erhalten wir die Antwort fast sofort
Aber Vorsicht: Auch bei dieser Variante, kann die Iterationstiefe überschritten werden.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt8
fibr2() - Vorschlag
fibMem=[0,1,1] # fibr2(0)..fibr2(2)
# Dies ist die globale Liste, die fib02 verwendet.
def fibr2(n):
# überprüfe zuerst, ob fib(n) schon berechnet wurde
if n<len(fibMem): return fibMem[n] # den noch nie berechneten Wert rekrusiv # berechen und abspeichern
fn=fibr2(n-1)+fibr2(n-2)
fibMem.append(fn)
return fn
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt9
Generator (yield) Teil 1 Python bietet noch ein Verfahren an, das noch geschickter ist, wenn es auch
keinesfalls einfach zu verstehen ist. Ein Generator gen() ist eine Methode, die bei jedem Aufruf das nächste Element
einer virtuellen Sequenz mit yield statt return zurückgibt, die sozusagen einen Wert der Folge nach dem anderen produziert bzw. abwirft (englisch: yield, abwerfen, einbringen).Gestartet wird mit g=gen()Jeder Aufruf des Generators mit g.next() ergibt das nächste Folgenelement.
Definition einer Generatorsdefine fibo_generator():
setze Startwerteloop
berechne das nächste Folgenelementyield Folgenelement
end loop Anwenden eines Generators
fibo = fibo_generator()for n = 1 to 20: print fibo.next()
Lies http://www.python-kurs.eu/generatoren.php Erstelle das dort beschriebene Programm, speichere es in generator01.py
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt10
Generator (yield) Teil 2
Der Generator kann dann in einer for-Schleife anstelle einer Liste verwendet werden.
Aufgabe generator02.py : Erstelle einen Generator, der einfach die Quadratzahlen liefert. Nachdem der Generator mit …next() einige Male aufgerufen wurde, soll ein neuer Generator erzeugt werden. Was beobachtest Du?
Aufgabe fib03.py: Erstelle ein Python-Programm, das mit einem Generator die Fibonacci-Zahlen zurückgibt.
Damit wird übrigens kein Überlauf mehr produziert, da kein (großer) Stack erzeugt
wird.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt11
Lösungsvorschlag fib03.py
def fib3gen(): # Generator (enthält yield()) a=1 b=1 while 1: yield a c=a+b a,b=b,c
def fib3r(n): fibo=fib3gen() for i in range(n+1): z=fibo.next() return z # jetzt wird der Geneator beendet
n=5000z= fib3r(n)print z
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt12
Lösungsvorschlag fib04.py Da beim Abarbeiten einer Liste, jedesmal das nächste
Element erzeugt wird, kann statt der Liste auch die Methode stehen, die ein yield enthält. Siehe http://www.python-kurs.eu/generatoren.php „Generatoren und ihre Arbeitsweise“
def fib04gen(): a,b=1,1 while True: yield a a, b = b, a + bdef fib04(n): i=0 for z in fib04gen(): if i==n: return z i+=1
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt13
Ein komplexer Generator
Lies http://www.python-kurs.eu/generatoren.php „Rekursiver Generator“
Erstelle perm01.py und teste den Code
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt14
Pascalsches Dreieck
Aufgabe: Schreibe ein Programm, das das Pascalsche Dreieck anzeigt:
Die k. Zahl in der n. Zeile ist (n über k oder k aus n) Jede Zahl ist die Summe der beiden über ihr stehenden
Zahlen. (Falls es keine zwei darüber stehenden gibt ist die Zahl 1)
Es gilt auch: ist die Anzahl der Möglichkeiten k aus n Kugeln auszuwählen.
Rekursiv: PascalschesDreieck01.pyGenerator: PascalschesDreieck02.py
n
k
n n!
k k! n k !
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt15
Die Kochsche Kurve: Kochkurve.py
Wikipdeia: Die Koch-Kurve ist ein von dem schwedischen Mathematiker Helge von Koch 1904 vorgestelltes Beispiel für eine überall stetige, aber nirgends differenzierbare Kurve.
Man kann die Kurve anschaulich mittels eines iterativen Prozesses konstruieren: Ersetze das mittlere Drittel einer jeden Teilstrecke durch die Spitze eines gleichseitigen Dreiecks.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt16
Wdh. turtle (a_dummy.py)
import turtle as tdef fkt(,,,s)
return
# Objekte erzeugen und initialisierenfenster = t.Screen()fenster.bgcolor('yellow')
hugo = t.Turtle(shape="turtle")hugo.speed(9) # 0: am schnellsten, 10 schnell, 6 normal, 1 langsamhugo.color('blue')hugo.pensize(2)hugo.up()
hugo.goto(0,0)hugo.down()fkt(,,,hugo) t.done() # Warten bis der Benutzer das Fenster schließt
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt17
Aufgabe Kochkurve.py
Zeichne mit der Turtle eine Kochkurve der Länge 600 Pixel, wobei die geraden gezeichneten Stücke mindestens die Länge ml haben sollen.
Benutze dazu die Grundstruktur der letzten Folie. Rufe zeichneKoch(laenge, ml, s) rekursiv auf. Wenn laenge <3*ml soll eine Gerade gezeichnet
werden Ansonsten soll die Länge gedrittelt werden und nach
entsprechenden Richtungsänderungen sollen die Teilstücke rekursiv gezeichnet werden.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt18
Kochkurve.py
def zeichneKoch(laenge, ml, s): # laenge = gesamte Länge der Kurve, # ml: Mindestlänge der geraden Teilstücke
# s = turtle
if laenge<3*ml: s.forward(l) else: tiefe-=1 laenge3=laenge/3 zeichneKoch(laenge3, ml, h) s.left(60) zeichneKoch(laenge3, ml, h) s.right(120) zeichneKoch(laenge3, ml, h) s.left(60) zeichneKoch(laenge3, ml, h) return
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt19
Schneeflocke.py
Zeichnet man ein gleichseitiges Dreieck und dann iterativ für jede Seite die Kochsche Kurve, erhält man eine Figur, die wie eine Schneeflocke aussieht.
Die Länge der Randkurve wird mit jeder Iteration immer länger: Sie verlängert sich um den Faktor 4/3.
Die Fläche der Grenzkurve ist 1,6*Fläche des gleichseitigen DreiecksBei jedem Iterationsschritt vergrößertsich die Fläche: Beim ersten Schritt um3*(1/9); beim zweiten um 3*4*1/81, beim n-ten Schritt um Damit ist die Flächensumme
nn 1
n
1 3 43 4
9 4 9
n
n 0
3 4 1 3 1 1 3 9 1 8
4 9 4 4 1 4 9 4 4 5 4 5
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt20
Rekursives Programm lesen
Was wird bei dem folgenden Beispiel gezeichnet?
def dreieck(laenge, s):
for i in range(3):
s.forward(laenge), s.left(120)
def DF(L, n): if n==0 or L<10: dreieck(L,s)
else:
dreieck(L)
s.up(), s.forward(5), s.left(60)
s.forward(5), s.right(60), s.down()
DF(L-15,n-1,s)
Siehe dreiecke.py
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt21
Baum01.py Man nennt eine Figur selbstähnlich, wenn man innerhalb der
Figur eine oder mehrere verkleinerte Kopien derganzen Figur finden kann.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt22
Selbstähnlichkeit Eine rekursive Zeichenprozedur ruft sich selbst im
Anweisungsteil auf. Eine geometrische Figur heißt selbstähnlich, wenn sie sich in
kongruente Teile zerlegen lässt, die ihr alle ähnlich sind. Vergrößern wir eine der Teilfiguren, so ergibt sich das Ganze.
Selbstähnliche Figuren lassen sich mit der Initiator-Generator-Methode erzeugen.
Sie funktioniert wie folgt: In einem Streckenzug I, dem Initiator, wird jede Strecke durch eine Figur G, den Generator, ersetzt. Daraufhin wird jede (oder nur manche) Strecke der erzeugten Figur durch die Generatorfigur G ersetzt. Diese Streckenersetzung wird beliebig lange wiederholt.
Aufgabe: Was ist der Generator bei der Kochkurve, was beim Baum.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt23
Rekursives Programm lesen
if laenge<10: # Initiator
s.forward(laenge), s.backward(laenge)
return
else: # Generator, eine Figur wird ersetzt.
s.forward(laenge)
s.right(45), zeichne_Baum(laenge/2,s)
s.left(90), zeichne_Baum(laenge/2,s)
s.right(45), s.backward(laenge)
returnSiehe Baum01.py
Aufgabe: Erstelle Py-Prg Baum01.py, das den Baum der vorigen Folie zeichnet. Die Verzeigung beträgt links und recht 45°, die Astlänge wird je Schritt halbiert.
Lösung: Siehe Baum.py
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt24
Baum0x.py Ändere das Baumprogramm, mache den Baum realistischer. Baum02.py: Die Baumdicke ändern Baum04.py: Links und rechts soll der Baum variert werden. Baum06.py: Bringe den Zufall ins Spiel, d.h. die Baumdicke
und Länge soll sich zufällig ändern. Verwende:import random as rara.gauss(Mittelwert, Stdabweichung) ra.gauss(stuecklaenge, stuecklaenge*zuf) mit zuf etwa 0,3. stuecklaengeA=int(ra.gauss(stuecklaenge, stuecklaenge*zuf))
Wenn Dir das Zeichnen zu lange geht, verwende hugo.tracer(0) # sofort zeichnen
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt25
Farn01 Ein Farn ist recht simpel aufgebaut. Der Kern des Programms:
def zeichneFarn(s, hoehe=200.): # Funktionsdefinition if hoehe >3: # falls Zeichenweg groß genug s.forward(hoehe) s.left(25) zeichneFarn(s, hoehe*0.5) # linker Teilbaum s.right(35) zeichneFarn(s, hoehe*0.7) # mittlerer Teilbaum s.right(25) zeichneFarn(s, hoehe*0.4) # rechter Teilbaum s.left(35) s.backward(hoehe) else: s.forward(hoehe) s.backward(hoehe)
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt26
Pythagorasbaum.py
Der Initiator ist eine waagrechte Strecke. Der Generator: Ersetze die Strecke durch ein
Quadrat mit einem rechtwinkligen Dreieck c:a:b=5:4:3 auf der Oberseite. Dabei werden die beiden Katheten des Dreiecks wieder durch den Generator ersetzt.
Der Winkel bei der kürzeren Seite ist 1 4sin 53,135
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt27
Drachenkurve
Attraktive rekursive Grafiken basieren oft auf dem Orientierungswechsel. Die Drachenkurve entsteht, wenn beim Generator abwechselnd der Haken nach links bzw. nach rechts ausgeführt wird.
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt28
Sierpinski-Dreieck
Das Sierpinksi-Dreieck entsteht dadurch, dass man von einem Dreieck iterativ das mittlere Viertel wegnimmt und dies bei den verbliebenden Dreiecken wiederholt.
Siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Sierpinski-Dreieck
Lese Doku\einfuehrungRekursion.pdf S. 8
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt29
Lösung Sierpinski
def sierpinski(s, laenge, stufe, farbe): s.fillcolor(farbe) pos=s.position() s.left(60), s.forward(laenge), s.right(60) s.begin_fill() for i in range(0,3): s.forward(laenge) s.right(120) s.end_fill() if stufe>1: for i in range(0,3): sierpinski(s,laenge/2, stufe-1, farbe) s.forward(laenge), s.right(120) s.up(), s.goto(pos), s.down() return
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt30
Türme von Hanoi Das Spiel benutzt drei Stäbe und eine
Anzahl von Scheiben z.B. 9, die auf die Stäbe gesteckt werden können. Anfänglich befinden sich alle Scheiben in absteigender Größe auf einem Stab angeordnet, d.h. die größte ist ganz unten und die kleinste ganz oben.
Die Aufgabe besteht darin, diesen Turm von einem Stab auf einen anderen zu bewegen unter Beachtung der folgenden Regeln:
In einem Zug darf immer nur eine Scheibe bewegt werden. Es kann immer nur die oberste Scheibe eines Stapels bewegt werden. Eine Scheibe kann auf einem anderen Stab nur abgelegt werden, wenn
der Stab leer ist, oder wenn die Scheibe kleiner als die oberste Scheibe des Zielstapels ist.
Lese http://www.python-kurs.eu/tuerme_von_hanoi.php und erstelle das zughörige Programm
Inf K1/2 Sj 13/14 GZG FN W.Seyboldt31
Quellen Fraktale und Chaos (Mandelbrotmenge): Siehe
http://mathematik.ph-weingarten.de/~hafenbrak/docs/chaos06/chaos01.pdf
http://mathematik.ph-weingarten.de/~hafenbrak/docs/chaos06/chaos02.pdf
http://mathematik.ph-weingarten.de/~hafenbrak/docs/chaos06/chaos03.pdf
http://mathematik.ph-weingarten.de/~hafenbrak/docs/chaos06/chaos04.pdf
http://mathestuff.de/rekursion_mit_python https://ddi.ifi.lmu.de/tdi/2013/upload/materialien-
visualisierung-rekursiver-datenstrukturen/ Butterfly (Tkinter) http://www.pythonmania.de/article/pybutt.html Informatikunterlagen http://www.inf-schule.de/ Selbstähnlihckeit, Zusf. Lese
http://stubber.math-inf.uni-greifswald.de/~bandt/talks/gwd07.pdf