파이썬 자료구조 5장. 재귀 알고리즘

1. 재귀 알아보기


자기 잔신을 포함하고 다시 자기 자신을 사용하여 정의되는 경우를 재귀라고 한다.

  • 직접 재귀 : 자신과 똑같은 함수를 호출하는 방식
  • 간접 재귀 : 다른 함수를 통해 자신과 똑같은 함수를 호출하는 방식. a함수가 b를 호출하고 b 함수가 다시 a함수를 호출하는 구조

2. 팩토리얼


구현

def fac(n):
    if n <1:
        return 1
    else :
        return n * fac(n-1)

print(fac(3))

math.factorial() 함수

파이썬에서는 팩토리얼값을 구하는 표준 라이브러리로 math 모듈에서 factorial 함수를 제공한다.

from math import factorial

print(factorial(3))
print(factorial(-1)) # 음수 전달시 ValueError 예외 처리


3. 유클리드 호제법


두 정수값의 최대 공약수를 재귀적으로 구하는 방법을 생각해보면 이 문제를 2개의 정숫값을 직사각형 두 변의 길이라고 생각하고 직사각형 안을 정사각형 여러 개로 가득 채워 나가면서 만들 수 있는 정사각형 가운데 가장 작은 정사각형의 변의 길이를 구하는 문제와 같다. a, b에 대해서 a를 b로 나눈 나머지를 r이라 하면(단, a>b), a와 b의 최대공약수는 b와 r의 최대공약수와 같다는 성질을 이용한 것이다.

def gcd(x,y):    
    if y==0:
        return x
    else :
        gcd(y,x%y)

if 문을 추가해서 x,y의 크기를 비교해서 서로 바꿔주는 문장을 넣는 것보다는 재귀의 인자로 서로의 위치를 바꿔주는게 더 효율적이다.
나머지 연산자 한 것을 y값에 넣었으므로 재귀로 들어오는 y값은 항상 x값보다 작다. 함수 시작 처음에 들어오는 값이 만약 y가 x보다 더 크더라도 재귀로 들어오는 인자 위치 x자리에 y값이 대입되므로 결국에는 인자로 들어오는 x값이 항상 y보다 크다.

math.gcd() 함수

파이썬에서 최대 공약수를 구하는 표준 라이브러리로 math 모듈에서 gcd() 함수를 제공한다.

from math import gcd

print(gcd(22,8))


4. 재귀 알고리즘 분석


def recur(n):
  if n>0:
    recur(n-1)
    print(n)
    recur(n-2)

# 거꾸로는 recur (n-1) 과 n-2 위치만 바꾸면 된다.

위와 같이 재귀 호출을 여러 번 실행하는 함수를 순수한 재귀라고 한다.

하양식 분석

recur(4) 의 실행 과정

  1. recur(3) 실행
  2. 4를 출력
  3. recur(2) 실행

트리처럼 줄줄이 그릴 수 있는데 가장 위쪽에 위치한 상자의 함수 호출부터 시작하여 계단식으로 자세히 조사해 나가는 분석 방법을 하양식 분석이라고 한다. 하지만 이 과정에서 recur(1)과 recur(2)를 여러 번 호출하게 되므로 효율적이라고는 할 수 없다.

상향식 분석

하양식 분석과는 반대로 아래쪽부터 쌓아 올리며 분석하는 방법이다. recur 함수는 n이 양수일 때만 실행하므로 먼저 recur(1)이 어떻게 처리되는지 알아야 한다.
recur(1) 의 실행 과정

  1. recur(0) 실행
  2. 1을 출력
  3. recur(-1) 실행

recur(1)을 실행하면 과정 1의 recur(0)과 과정 3의 recur(-1)은 출력할 내용이 없으므로 결국 과정 2의 1만 출력되는 것을 알 수 있다.

recur(2) 의 실행 과정

  1. recur(1) 실행 # 이미 위에서 구함.
  2. 2을 출력
  3. recur(0) 실행

recur(2)를 실행하면 과정 1에서 recur(1)은 출력하지만 과정 3의 recur(0)은 아무것도 출력하지 않는다. 따라서 과정 1,2를 거쳐 1과 2를 출력한다. 이 작업을 계속하면 최종 출력 recur(4)를 얻을 수 있다.

재귀알고리즘의 비재귀적 표현

1. 꼬리 재귀 제거하기
recur(n-2) 함수의 의미는 인수로 n-2의 값을 전달하고 recur 함수를 호출하는 것이다. 따라서 쉽게 제거할 수 있다.

def recur(n):
  while n>0:
    recur(n-1)
    print(n)
    n=n-2

2. 재귀 제거하기
맨 앞의 재귀는 꼬리와 같이 제거할 수 없다. 왜냐하면 n의 값을 출력하기 전에 recur(n-1)을 실행햐아 하기 때문이다. 따라서 n의 값을 임시적으로 저장해줘야하는데 이때 스택을 이용한다.

from stack import Stack # stack.py에서 Stack클래스 임포트

def recur(n):
    s = Stack(n)

    while True:
        if n>0:
            s.push(n) # n-1실행전에 푸시
            n=n-1
            continue # n>0 이면 계속 반복
        if not s.is_empty():
            n = s.pop() # 꺼내고
            print(n) # 출력하고
            n=n-2 # recur(n-2)
            continue
        break

recur(3)


5. 하노이의 탑


[하노이의 탑 이론] 를 참고하자.

def tower(n,start,mid,to):
    if n>1: # 1개면 그냥 바로 옮기면 된다.
        tower(n-1,start,to,mid)
    
    print(f"{n}을 {to}로 옮겼다.")

    if n>1: # 1개면 애초에 재옮김을 할 필요가 없다. 바로 옮겨지므로
        tower(n-1,mid,start,to)

tower(3,1,2,3)


6. 8퀸 문제


8개의 퀸이 서로 공격하여 잡을 수 없도록 8 * 8 체스판에 배치하시오.
규칙

  • 각 열에 퀸을 1개만 배치
  • 각 행에 퀸을 1개만 배치
  • 각 대각선에 퀸을 1개만 배치
  • i열에 배치한 퀸의 위치가 j행에 있다면, pos[i] = j로 나타내자.
  • set()는 pos[i]에 0~7까지의 값을 차례로 대입하여 i열에 퀸을 1개만 배치하는 8가지 조합을 만드는 재귀 함수
# i는 열 j는 행

pos = [None] * 8
flag_a = [False] * 8 # 행 중복 확인
flag_b = [False] * 15 # 오른쪽 위쪽 방향 대각선
flag_c = [False] * 15 # 오른쪽 아래 방향 대각선

def put():
    print(*pos,sep="  ")

# 모형으로 보기
"""
def put():
    for i in range(8):
        for j in range(8):
            print('O' if pos[i] == j else 'X', end= " ")
        print()
    print()
"""

def set(i):
    for j in range(8):                       
        if flag_a[j] == flag_b[i+j] == flag_c[i-j+7] == False:
            pos[i] = j
            if i==7:
                put()
                return 
            # 마지막 i==7일때는 True로 안바꾸기 위해 뒤쪽에 작성
            flag_a[j] = flag_b[i+j] = flag_c[i-j+7] = True 
            
            # 일부만 생각해보면 다음 열이 7이되면 하나의 방법이 완성
            # 리턴으로 다시 6열로 돌아오고 False로 바꿔주면서 덮어씌움이 가능하게 바꿈
            set(i+1) 
            flag_a[j] = flag_b[i+j] = flag_c[i-j+7] = False
            # False로 바뀐후 for문이 돌아 다음 j행으로 이동되고 다른 방법을 형성
set(0)



본 포스팅은 ‘자료구조와 함께 배우는 알고리즘 입문’을 읽고 공부한 내용을 바탕으로 작성하였습니다.


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