Leçon 6 : Fonctions et récursivité
Construis en Python le motif « Course de tris » et apprends en chemin :
- les fonctions, et passer une fonction comme valeur
- la récursivité : une fonction qui s’appelle elle-même sur des parties plus petites
- un compteur gardé dans un dictionnaire
- assert pour vérifier un résultat
- comment le travail augmente : n² face à n·log n
Regarde-le d’abord
Lecture depuis YouTube après un clic.
"""Sorting race: four algorithms on the same shuffled list, counting their comparisons.
Run: python sorting-race.py (needs: pip install numpy matplotlib)
"""
import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.style.use("dark_background")
n = 100
data = list(np.random.default_rng().permutation(n))
count = {"comparisons": 0}
def less(a, b): # every algorithm compares only through this, so we can count
count["comparisons"] += 1
return a < b
def bubble(xs):
xs = xs[:]
for end in range(len(xs) - 1, 0, -1):
for i in range(end):
if less(xs[i + 1], xs[i]):
xs[i], xs[i + 1] = xs[i + 1], xs[i]
return xs
def insertion(xs):
xs = xs[:]
for i in range(1, len(xs)):
j = i
while j > 0 and less(xs[j], xs[j - 1]):
xs[j], xs[j - 1] = xs[j - 1], xs[j]
j -= 1
return xs
def merge(xs):
if len(xs) < 2:
return xs
left, right = merge(xs[: len(xs) // 2]), merge(xs[len(xs) // 2 :])
out = []
while left and right:
out.append(left.pop(0) if not less(right[0], left[0]) else right.pop(0))
return out + left + right
def quick(xs):
if len(xs) < 2:
return xs
pivot, rest = xs[0], xs[1:]
smaller = [x for x in rest if less(x, pivot)]
return quick(smaller) + [pivot] + quick([x for x in rest if x not in smaller])
results = {}
for name, sort in [("bubble", bubble), ("insertion", insertion), ("merge", merge), ("quick", quick)]:
count["comparisons"] = 0
assert sort(data) == sorted(data)
results[name] = count["comparisons"]
print(results, "| at least log2(n!) =", math.ceil(math.log2(math.factorial(n))))
plt.figure(figsize=(7, 4))
plt.bar(list(results), list(results.values()), color=["#f0abfc", "#c4b5fd", "#5eead4", "#5eead4"])
plt.axhline(math.log2(math.factorial(n)), color="white", linestyle="--", label="log2(n!): no comparison sort does better")
plt.ylabel(f"comparisons for n = {n}")
plt.legend()
plt.show()
# Try: n = 1000 (bubble sort needs about n*n/2, merge sort about n*log2(n))
Pas de Python sur cet ordinateur ? Le notebook exécute le même script, les exercices et les réponses dans ton navigateur, sur Google Colab. Le notebook est en anglais.
Ligne par ligne
def less(a, b):Chaque algorithme compare à travers cette seule fonction, donc les comparaisons peuvent être comptées à un seul endroit.
count["comparisons"] += 1Un dictionnaire garde le compte, donc la fonction peut le modifier sans le mot-clé global.
def merge(xs):Le tri fusion : trier chaque moitié, puis fusionner les deux moitiés triées en prenant toujours le plus petit élément en tête.
left, right = merge(xs[: len(xs) // 2]), merge(xs[len(xs) // 2 :])La récursivité : merge s’appelle elle-même sur chaque moitié, jusqu’à ce qu’une partie ait moins de deux éléments.
assert sort(data) == sorted(data)assert arrête le script si un tri se trompe d’ordre : un test intégré au programme.
math.ceil(math.log2(math.factorial(n)))La borne inférieure : log₂ du nombre d’ordres possibles, n!, arrondi à l’entier supérieur.
À toi de jouer
Pour n = 100, quel tri demande le moins de comparaisons, et à quel point est-il proche de la borne ?
Indice
Lance le script ; il affiche les comptes et la borne.
Réponse
Le tri fusion, environ 540 face à une borne de 525. Le tri à bulles en demande exactement 4 950, c’est-à-dire 100 · 99 ÷ 2.
Pourquoi ce tri à bulles demande-t-il toujours n·(n − 1) ÷ 2 comparaisons ?
Indice
Regarde ses deux boucles.
Réponse
Cette version fait toujours tourner les deux boucles jusqu’au bout : (n − 1) + (n − 2) + … + 1 = n·(n − 1) ÷ 2 comparaisons, quel que soit l’ordre.
Donne au tri rapide une liste déjà triée. Qu’arrive-t-il à son compte ?
Indice
data = list(range(n)).
Réponse
Il bondit à 4 950, aussi mauvais que le tri à bulles : avec le premier élément comme pivot, chaque partage laisse un côté vide.
Quiz
Cartes mémoire
Lis le recto, dis-toi le verso, puis retourne la carte.
Récursivité
Une fonction qui résout un problème en s’appelant elle-même sur des parties plus petites de ce problème.
assert condition
Arrête le programme avec une erreur si la condition vaut False.
log₂(n!)
Le plus petit nombre de comparaisons par oui ou non qui permet de distinguer n! ordres : la limite de tout tri par comparaisons.
n² face à n·log n
Pour 1 000 éléments : environ 500 000 face à environ 10 000 étapes.
Passer une fonction
for name, sort in [("merge", merge), …] : les fonctions sont des valeurs, comme les nombres.