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Recursion.Rmd
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title: "Recursão"
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####*Leonardo Machado*
####*Graduação em Ciência da Computação*
####*Universidade Federal Fluminense*
####*Niterói, 2017*
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$('pre code').each(function(i, e) {hljs.highlightBlock(e)});
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</script>
```{r setup, include=FALSE}
knitr::opts_chunk$set(echo = TRUE)
```
<br/>
> **A primeira coisa que preciso perguntar é: Você já sabe recursão?**<br/>
**Se sim, boa sorte na vida e bons estudos.**<br/>
**Se não, leia esse trabalho e aprenda!**
##Sobre o trabalho:
**T**eremos exemplos ao decorrer do trabalho de diversos códigos recursivos, porém serão um punhado comparado a quantidade de algoritmos que é possível desenvolver de forma recursiva. Farei o possível para escrever todos os algoritmos em **português**, pois acredito que quando aprendemos na nossa própria língua a absorção é bem maior. O objetivo desse trabalho é introduzir a ideia recursiva e a importância do seu uso.
Tudo que pode-se fazer de forma recursiva é possível fazer de forma iterativa (*for*, *while*, *do while*), então por que usar recursão? Até o fim desse trabalho tentarei convencê-lo dos poderes e da importância da recursão.
O trabalho é mantido em um repositório no ***github***. Caso deseje complementar o conteúdo ou corrigir algum erro que encontrou, basta [clicar aqui.](https://github.com/Lmachado73/Recursion)
##O que é?
Uma técnica de programação que envolve o uso de um *procedure*, subrotina, função ou algoritmo que é definido em razão de si mesmo e se chama uma ou mais vezes até uma condição de parada ser encontrada, então todas as chamadas anteriores são processadas da última até a primeira.
##Onde usaremos?
* **Operações com strings:** Desde simples operações como comparar duas *strings* até operações mais elaboradas como verificar se a palavra é um [Palíndromo](http://www.soportugues.com.br/secoes/palindromos/), por exemplo.
* **Estruturas de dados:** Listas encadeadas, [árvores](https://en.wikipedia.org/wiki/Tree_(data_structure)), grafos. Em operações como inverter uma lista simplesmente encadeada, percorrer uma árvore em ordem, pós ordem ou pré ordem, achar caminhos em grafos, etc.
* **Problemas combinacionais:** Análises combinatórias, permutações, etc.
* **Operações matemáticas:** Praticamente, se não todas, operações matemáticas podem ser resolvidas de forma recursiva. Devido a isso as aplicações mais comuns da recursão são feitas na ciência da computação e na matemática.
* **Encontrar caminhos ou soluções:** Encontrar caminho em um labirinto, o menor caminho entre dois pontos, achar a solução para algum *puzzle* ou encontrar a solução para um jogo de xadrez.
##Para quem é esse material?
**Esse material não é indicado para pessoas que nunca programaram.** Não ensinarei ninguém a programar, ensinarei a pensar de forma recursiva e a reconhecer problemas grandes que podem ser partidos em subproblemas para poderem ser resolvidos da forma "dividir para conquistar".
**Se você já conhece os conceitos básicos da programação, então esse material é para você.**
Este material contará com códigos em cinco linguagens de programação diferentes:
1. **Python**
2. **Java**
3. **C**
4. **C++**
5. **C#**
###Como escrever uma função recursiva:
Antes de sairmos escrevendo funções recursivas, precisamos de um pouco de teoria e regras. Um passo a passo deve ser seguido, pois assim como o uso da recursão traz diversos benefícios, se usada de forma incorreta, pode acarretar em um estouro de pilha ou *loop* infinito.
####As seguintes regras precisam ser seguidas:
* **Precisa ter um caso base:** O caso base de uma função é a primeira coisa que você escreverá dentro de uma função recursiva, pois é a sua condição de parada. Em que momento sua função deve parar de chamar a si mesma? Assim que a condição de parada for satisfeita.
* **Passo em direção ao fim:** Após cada chamada recursiva, sua função **deve** dar um passo em direção ao fim da recursão. Isso é fundamental para o seu algoritmo não entrar em *loop* infinito.
---
##Primeiro código recursivo - Calcular Fatorial
Sem mais delongas, podemos partir para o nosso primeiro código recursivo. Vamos começar com o exemplo mais clichê e básico sobre recursão, mas é o que dá uma ideia mais clara de como ela funciona. Vamos fazer uma função recursiva para calcular o [fatorial](http://www.infoescola.com/matematica/fatorial/) de um número.
## {.tabset .tabset-fade}
### Python
```python
# Função Recursiva
def fatorial(n):
# Caso base
if n <= 1:
return 1
else:
# Passo em direção ao fim do problema
return n * fatorial(n - 1)
n = int(input("Deseja calcular o fatorial de qual numero? : "))
fat = fatorial(n)
print("Fatorial de", n, ":", fat)
```
### Java
```java
// Entrada padrão
import java.util.Scanner;
public class Fatorial
{
// Função recursiva
static int fatorial(int n)
{
// Caso base
if(n <= 1)
return 1;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return n * fatorial(n - 1);
}
public static void main(String[] arg)
{
Scanner in = new Scanner(System.in);
System.out.print("Deseja calcular o fatorial de qual numero? : ");
int n = in.nextInt();
System.out.println("Fatorial de " + n + ": " + fatorial(n));
}
}
```
### C
```c
/* Entrada e saída padrão */
#include <stdio.h>
/* Função recursiva */
int fatorial(int n)
{
/* Caso base */
if(n <= 1)
return 1;
else
/* Passo em direção ao fim do problema */
return n * fatorial(n - 1);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int n = 0;
printf("Deseja calcular o fatorial de qual numero? : ");
scanf("%d", &n);
printf("Fatorial de %d: %d\n", n, fatorial(n));
return 0;
}
```
### C++
```cplusplus
// Entrada e saída padrão
#include <iostream>
using namespace std;
// Função recursiva
int fatorial(int n)
{
// Caso base
if(n <= 1)
return 1;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return n * fatorial(n - 1);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int n = 0;
cout << "Deseja calcular o fatorial de qual numero? : ";
cin >> n;
cout << "Fatorial de " << n << ": " << fatorial(n) << endl;
return 0;
}
```
### CSharp
```csharp
using System;
public class Fatorial
{
// Função recursiva
static int fatorial(int n)
{
// Caso base
if(n <= 1)
return 1;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return n * fatorial(n - 1);
}
public static void Main(string[] args)
{
Console.Write("Deseja calcular o fatorial de qual numero? : ");
int n = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
Console.WriteLine("Fatorial de {0}: {1}", n, fatorial(n));
}
}
```
##
Vamos calcular o fatorial de 4. A primeira chamada para a função fatorial(int n) é o que dá o ponta-pé inicial a nossa recursão. Faremos um passo a passo de como a nossa função recursiva funciona:
Na primeira chamada *n* vale 4.
Iremos compará-lo com o caso base, se *n* for menor ou igual a 1, retornar.
Como *n* não é, multiplicamos *n* (que vale 4) pelo resultado do fatorial(*n* - 1), ou seja, multiplicamos 4 * fatorial(3).
Por definição, fatorial de um número é 4! = 4 \* 3 \* 2 \* 1. Quando atingirmos o caso base, teremos dividido o nosso problema no mínimo de subproblemas possíveis, o que indica que podemos voltar resolvendo o problema.
fatorial(4)
4 * fatorial(4 - 1)
3 * fatorial(3 - 1)
2 * fatorial(2 - 1)
return 1
return 2 * 1 = 2
return 3 * 2 = 6
return 4 * 6 = 24
**Resultado: 24**
É fundamental que você tente reescrever o algoritmo, calcular o fatorial de outros números e analisar como o código funciona. Independente da linguagem que você programa, se entender como esse algoritmo funciona estará apto a prosseguir.
---
###Vamos avançar e ver mais códigos recursivos
<br/>
####Contar digitos
Pense em um algoritmo para contar quantos digitos tem um número inteiro. Você provavelmente sabe alguma possível solução para esse problema.
Uma das possíveis implementações iterativas seria:
```
algoritmo "Conta_Digitos"
var
total: inteiro
n: inteiro
inicio
escreva("Digite um numero: ")
leia(n)
enquanto n <> 0 faca
n <- n / 10
total <- total + 1
fimenquanto
escreva("Total de digitos: ", total)
fimalgoritmo
```
**Vamos analisar o algoritmo:** nosso objetivo é contar quantos digitos tem um número. Ou seja, nosso passo é em direção ao digito mais a esquerda. Quando fazemos uma divisão inteira de um número por 10, retiramos o último digito à direita.
Exemplo: 123 / 10 = 12 ( O resultado exato da divisão seria 12.3, mas estamos fazendo uma [**divisão inteira**](http://python-reference.readthedocs.io/en/latest/docs/operators/floor_division.html) de um número.)
Com essas informações já temos o nosso passo em direção ao fim (dividir o número por 10 na chamada recursiva).
Sabemos que o algoritmo deve parar quando não houver mais digitos para dividir ( caso base ).
Tendo o passo em direção ao fim e o caso base, podemos finalmente construir nosso algoritmo para contar digitos de forma recursiva.
## {.tabset .tabset-fade}
### Python
```python
# Função Recursiva
def conta_digitos(n):
# Caso base
if n <= 0:
return 0
else:
# Passo em direção ao fim do problema
return 1 + conta_digitos(n // 10)
n = int(input("Digite um numero: "))
print("O numero", n, "tem", conta_digitos(n), "digitos")
```
### Java
```java
// Entrada padrão
import java.util.Scanner;
public class Digitos
{
// Função recursiva
static int conta_digitos(int n)
{
// Caso base
if(n <= 0)
return 0;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return 1 + conta_digitos(n / 10);
}
public static void main(String[] arg)
{
Scanner in = new Scanner(System.in);
System.out.print("Digite um numero: ");
int n = in.nextInt();
System.out.println("O numero " + n + " tem " + conta_digitos(n) + " digitos");
}
}
```
### C
```c
/* Entrada e saída padrão */
#include <stdio.h>
/* Função recursiva */
int conta_digitos(int n)
{
/* Caso base */
if(n <= 0)
return 0;
else
/* Passo em direção ao fim do problema */
return 1 + conta_digitos(n / 10);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int n = 0;
printf("Digite um numero: ");
scanf("%d", &n);
printf("O numero %d tem %d digitos\n", n, conta_digitos(n));
return 0;
}
```
### C++
```cplusplus
// Entrada e saída padrão
#include <iostream>
using namespace std;
// Função recursiva
int conta_digitos(int n)
{
// Caso base
if(n <= 0)
return 0;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return 1 + conta_digitos(n / 10);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int n = 0;
cout << "Digite um numero: ";
cin >> n;
cout << "O numero " << n << " tem " << conta_digitos(n) << " digitos" << endl;
return 0;
}
```
### CSharp
```csharp
using System;
public class Digitos
{
// Função recursiva
static int conta_digitos(int n)
{
// Caso base
if(n <= 0)
return 0;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return 1 + conta_digitos(n / 10);
}
public static void Main(string[] args)
{
Console.Write("Digite um numero: ");
int n = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
Console.WriteLine("O numero {0} tem {1} digitos", n, conta_digitos(n));
}
}
```
##
Se a nossa entrada fosse o valor 123, o algoritmo iria compará-la com o caso base.
123 é menor que 0? Não.
Então conte um dígito e faça a chamada recursiva para *n* dividido por 10.
Esse passo será repetido até o caso base ser atingido.
Ida:
n = 123
n' = 123 // 10 = 12
n'' = 12 // 10 = 1
n''' = 1 // 10 = 0 <- Caso base atingido.
Volta:
n''' = 0 <- Após atingir o caso base, retorne 0
n'' = 1 <- Some 1 ao resultado da chamada recursiva, ou seja, 1 + 0 = 1
n' = 12 <- Some 1 ao resultado da chamada recursiva, ou seja, 1 + 1 = 2
n = 123 <- Some 1 ao resultado da chamada recursiva, ou seja, 2 + 1 = 3
Retorne para o programa principal o resultado encontrado.
**Resultado = 3**
###Colocando em prática
Faça um algoritmo recursivo que some *n* até 1 e exiba o resultado na tela.
**Exemplo:**
Entrada: 5
Algoritmo: 5 + 4 + 3 + 2 + 1
Saída: 15
O algoritmo iterativo para esse problema seria:
## {.tabset .tabset-fade}
### Pseudo Código
```python
Algoritmo "somar_numeros"
Var
total : inteiro
n : inteiro
i : inteiro
Inicio
escreva("Digite o valor de n: ")
leia(n)
para i de 1 ate n faca
total <- total + i
fimpara
escreva("Total: ", total)
Fimalgoritmo
```
### Resposta
```python
def soma(n):
if(n <= 0)
return 0
else:
return n + soma(n - 1)
```
##
---
###Palíndromo
## {.tabset .tabset-fade}
### Python
```python
# Função Recursiva
def palindromo(str, comeco, fim):
# Primeiro caso base
if comeco == fim:
return True
# Segundo caso base
elif str[comeco] != str[fim]:
return False
else:
# Passo em direção ao fim do problema
return palindromo(str, comeco + 1, fim - 1)
nome = "natan"
print("O nome", nome, "eh palindromo?", palindromo(nome, 0, len(nome) - 1))
```
### Java
```java
// Entrada padrão
import java.util.Scanner;
public class Palindromo
{
// Função recursiva
static boolean palindromo(String str, int comeco, int fim)
{
// Primeiro caso base
if(comeco == fim)
return true;
// Segundo caso base
else if(str.charAt(comeco) != str.charAt(fim))
return false;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return palindromo(str, comeco + 1, fim - 1);
}
public static void main(String[] args)
{
String nome = "natan";
System.out.println("O nome " + nome + " eh palindromo? " + palindromo(nome, 0, nome.length() - 1));
}
}
```
### C
```c
/* Entrada e saída padrão */
#include <stdio.h>
/* Para usar strlen() */
#include <string.h>
/* Função recursiva */
int palindromo(char *str, int comeco, int fim)
{
/* Primeiro caso base */
if(comeco == fim)
return 1;
/* Segundo caso base */
else if(str[comeco] != str[fim])
return 0;
else
/* Passo em direção ao fim do problema */
return palindromo(str, comeco + 1, fim - 1);
}
int main(int argc, char** argv[])
{
char* nome = "natan";
printf("O nome [%s] eh palindromo? %d", nome, palindromo(nome, 0, strlen(nome) - 1));
return 0;
}
```
### C++
```cplusplus
// Entrada e saída padrão
#include <iostream>
// Para usar string
#include <string>
using namespace std;
// Função recursiva
bool palindromo(string str, int comeco, int fim)
{
// Primeiro caso base
if(comeco == fim)
return true;
// Segundo caso base
else if(str[comeco] != str[fim])
return false;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return palindromo(str, comeco + 1, fim - 1);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
string nome = "natan";
cout << "O nome [" << nome << "] eh palindromo? " << boolalpha << palindromo(nome, 0, nome.length() - 1) << endl;
return 0;
}
```
### CSharp
```csharp
using System;
public class Palindromo
{
// Função recursiva
static bool palindromo(string str, int comeco, int fim)
{
// Primeiro caso base
if(comeco == fim)
return true;
// Segundo caso base
else if(str[comeco] != str[fim])
return false;
else
// Passo em direção ao fim do problema
return palindromo(str, comeco + 1, fim - 1);
}
public static void Main(string[] args)
{
string nome = "natan";
Console.WriteLine("O nome {0} eh palindromo? {1}", nome, palindromo(nome, 0, nome.Length - 1));
}
}
```
##
Temos uma novidade nesse algoritmo recursivo. Algo que não vimos antes era uma função recursiva com mais de um caso base. Sim, uma função pode ter n casos bases. Uma função recursiva **precisa** ter pelo menos um caso base, portanto, pode ter mais de um ( **caso base >= 1 **).
Nosso algoritmo para verificar se uma string é palíndromo funciona da seguinte forma:
*Uma string vazia ou com somente uma letra é um palíndromo.*
Na string **natan** o algoritmo funciona da seguinte forma:
**n**ata**n** Compara as duas extremidades, se forem diferentes retorne zero, pois não é um palíndromo.
Caso sejam iguais, precisamos continuar nosso algoritmo. Imagine um caso:
**america**
Ao comparar **a**meric**a**, a primeira e a última letras são iguais, porém a**m**eri**c**a são diferentes, logo não é um palíndromo.
Então precisamos continuar até chegarmos ao caso base (uma string com somente uma letra)
n**a**t**a**n também são iguais, então faça mais uma chamada recursiva
na**t**an -> um caracter sozinho é palíndromo dele mesmo. Como ele é o caracter do meio, significa que todos a sua esquerda já foram comparados com todos a sua direita e todas as comparações foram verdadeiras, logo essa string é um palíndromo.
---
###Maior valor em um *array*
## {.tabset .tabset-fade}
### Python
```python
# Retorna o maior valor entre dois numeros
def maximo(a, b):
return a if a > b else b
# Função recursiva
def maior(vetor, cursor):
# Caso base
if cursor == 0:
return vetor[cursor];
else:
# Passo em direção ao fim do problema
return maximo(vetor[cursor], maior(vetor, cursor - 1));
vetor = [30, 5, 12, 32, 5, 7, 9, 10, 22, 100]
print("Maior valor: ", maior(vetor, len(vetor) - 1))
```
### Java
```java
// Entrada padrão
import java.util.Scanner;
public class MaiorValor
{
// Retorna o maior valor entre dois numeros
static int maximo(int a, int b)
{
return a > b ? a : b;
}
// Função recursiva
static int maior(int[] vetor, int cursor)
{
// Caso base
if(cursor == 0)
return vetor[cursor];
else
// Passo em direção ao fim do problema
return maximo(vetor[cursor], maior(vetor, cursor - 1));
}
public static void main(String[] args)
{
int[] vetor = {50, 5, 12, 32, 5, 7, 9, 10, 22, 100};
System.out.println("Maior valor: " + maior(vetor, vetor.length - 1));
}
}
```
### C
```c
/* Entrada e saída padrão */
#include <stdio.h>
#define TAMANHO 10
/* Retorna o maior valor entre dois numeros */
int maximo(int a, int b)
{
return a > b ? a : b;
}
/* Função recursiva */
int maior(int vetor[TAMANHO], int cursor)
{
/* Caso base */
if(cursor == 0)
return vetor[cursor];
else
/* Passo em direção ao fim do problema */
return maximo(vetor[cursor], maior(vetor, cursor - 1));
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int vetor[TAMANHO] = {30, 5, 12, 32, 5, 7, 9, 10, 22, 1};
printf("Maior valor: %d\n", maior(vetor, TAMANHO - 1));
return 0;
}
```
### C++
```cplusplus
// Entrada e saída padrão
#include <iostream>
using namespace std;
#define TAMANHO 10
// Retorna o maior valor entre dois numeros
int maximo(int a, int b)
{
return a > b ? a : b;
}
// Função recursiva
int maior(int vetor[TAMANHO], int cursor)
{
// Caso base
if(cursor == 0)
return vetor[cursor];
else
// Passo em direção ao fim do problema
return maximo(vetor[cursor], maior(vetor, cursor - 1));
}
int main(int argc, char* argv[])
{
int vetor[TAMANHO] = {50, 5, 12, 32, 5, 7, 9, 10, 22, 100};
cout << "Maior valor: " << maior(vetor, TAMANHO - 1) << endl;
return 0;
}
```
### CSharp
```csharp
using System;
public class MaiorValor
{
// Retorna o maior valor entre dois numeros
static int maximo(int a, int b)
{
return a > b ? a : b;
}
// Função recursiva
static int maior(int[] vetor, int cursor)
{
// Caso base
if(cursor == 0)
return vetor[cursor];
else
// Passo em direção ao fim do problema
return maximo(vetor[cursor], maior(vetor, cursor - 1));
}
public static void Main(string[] args)
{
int[] vetor = new int[] {50, 5, 12, 32, 5, 7, 9, 10, 22, 100};
Console.WriteLine("Maior valor: {0}", maior(vetor, vetor.Length - 1));
}
}
```
##
Esse algoritmo retorna o maior valor de um vetor. Para a implementação desse algoritmo precisei criar uma função auxiliar para retornar o maior entre dois números. Quando se está trabalhando com recursão é muito comum criarmos funções auxiliares para deixar o mais claro possível o modo como nosso algoritmo trabalha. Começamos a nossa recursão pelo fim do vetor e caminhamos o cursor em direção início do vetor, então esse é o nosso *passo em direção ao fim* e nosso *caso base* é quando chegamos ao primeiro elemento do vetor. Significa que já percorremos todos os elementos e é hora de comparar um com o outro e ir retornando o maior, até que o maior elemento da função seja retornado.
#
###Colocando em prática
Faça um algoritmo recursivo que tenha como saída qual é o menor elemento de um *array*.
**Exemplo:**
Entrada: vetor = [6, 5, 4, 9, 110, 54, 3, 4, 25]
Saída: 3
O algoritmo iterativo para esse problema seria:
## {.tabset .tabset-fade}
### Pseudo Código
```python
Algoritmo "menor_valor"
Var
vet : vetor[1..9] de inteiro
menor : inteiro
i : inteiro
Inicio
para i de 1 ate 9 faca
escreva("Entre com um valor: ")
leia(vet[i])
fimpara
menor <- vet[1]
para i de 1 ate 9 faca
se vet[i] < menor entao
menor <- vet[i]
fimse
fimpara
escreva("Menor: ", menor)
Fimalgoritmo
```
### Resposta
```python
# Retorna o maior valor entre dois numeros
def minimo(a, b):
return a if a < b else b
# Função recursiva
def menor(vetor, cursor):
# Caso base
if cursor == 0:
return vetor[cursor];
else:
# Passo em direção ao fim do problema
return minimo(vetor[cursor], menor(vetor, cursor - 1));
vetor = [30, 5, 12, 32, 5, 7, 9, 10, 22, 100]
print("Menor valor: ", menor(vetor, len(vetor) - 1))
```
##
**Há diversos algoritmos que podem ser escritos de forma recursiva. Os algoritmos apresentados aqui são somente alguns exemplos para que você possa ser capaz de analisar um problema e saber quando a recursão seria a melhor solução para resolvê-lo. Entraremos agora no tema Estrutura de Dados, onde é fundamental o uso da recursão.**
---
<br/>
<br/>
##Estrutura de Dados
É impossível pensar em estruturas de dados e não pensar em recursão. Estruturas do tipo lista, árvore, fila, entre outras são manipuladas na maior parte do tempo através de algoritmos recursivos. Desde a inserção numa lista encadeada até o balanceamento de uma árvore AVL. Não faremos algoritmos para manipulação de árvores nesse trabalho, pois estou desenvolvendo esse material para Prog II, onde geralmente as estruturas estudadas são listas, filas e pilhas.
Para as implementações dos algoritmos, usaremos a seguinte estrutura para uma **L**ista **S**implesmente **E**ncadeada:
## {.tabset .tabset-fade}
### Python
```python
class LSE:
def __init__(self, informacao = None, proximo = None):
self.informacao = informacao
self.proximo = proximo
def __str__(self):
return str(self.informacao)
```
### Java
```java
public static class LSE
{
public int informacao;
public LSE proximo;
public LSE(int informacao, LSE proximo)
{
this.informacao = informacao;
this.proximo = proximo;
}
public String toString()
{
String resultado = Integer.toString(informacao);
return resultado;
}
}
```
### C
```c
#ifndef LSE_H
#define LSE_H
#include <stdio.h>
typedef struct No
{
int informacao;
struct No* proximo;
} LSE;
void print(LSE* lista)
{
if(lista)
printf("%d ", lista->informacao);
}