Lição 6: Funções e recursividade
Construa em Python o padrão “Corrida de ordenação” e aprenda pelo caminho:
- funções, e passar uma função como valor
- recursividade: uma função que se chama a si mesma sobre partes menores
- um contador guardado num dicionário
- assert para verificar um resultado
- como cresce o trabalho: n² contra n·log n
Veja-o primeiro
É reproduzido a partir do YouTube depois de um clique.
"""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))
Não tem Python neste computador? O notebook executa o mesmo script, os exercícios e as respostas no navegador, no Google Colab. O notebook está em inglês.
Linha a linha
def less(a, b):Todos os algoritmos comparam através desta única função, por isso as comparações podem ser contadas num só lugar.
count["comparisons"] += 1Um dicionário guarda a contagem, para que a função a possa mudar sem a palavra-chave global.
def merge(xs):Merge sort: ordenar cada metade e depois juntar as duas metades ordenadas, tirando sempre o menor dos elementos da frente.
left, right = merge(xs[: len(xs) // 2]), merge(xs[len(xs) // 2 :])Recursividade: merge chama-se a si mesma sobre cada metade, até uma parte ter menos de dois elementos.
assert sort(data) == sorted(data)assert para o script se uma ordenação errar a ordem: um teste embutido no programa.
math.ceil(math.log2(math.factorial(n)))O limite inferior: log₂ do número de ordens possíveis, n!, arredondado para cima.
Experimente
Para n = 100, que ordenação precisa de menos comparações, e quão perto fica do limite?
Pista
Execute o script; ele mostra as contagens e o limite.
Resposta
O merge sort, cerca de 540 contra um limite de 525. O bubble sort precisa de exatamente 4950, ou seja, 100 · 99 ÷ 2.
Por que razão este bubble sort precisa sempre de n·(n − 1) ÷ 2 comparações?
Pista
Olhe para os seus dois loops.
Resposta
Esta versão percorre sempre os dois loops até o fim: (n − 1) + (n − 2) + … + 1 = n·(n − 1) ÷ 2 comparações, seja qual for a ordem.
Dê ao quicksort uma lista que já está ordenada. O que acontece à sua contagem?
Pista
data = list(range(n)).
Resposta
Salta para 4950, tão mau como o bubble sort: com o primeiro elemento como pivô, cada divisão deixa um dos lados vazio.
Quiz
Flashcards
Leia a frente, tente recordar o verso e só depois abra o cartão.
Recursividade
Uma função que resolve um problema chamando-se a si mesma sobre partes menores dele.
assert condition
Para o programa com um erro se a condição for False.
log₂(n!)
O menor número de comparações de sim ou não capaz de distinguir n! ordens: o limite de qualquer ordenação por comparação.
n² contra n·log n
Para 1000 elementos: cerca de 500 000 contra cerca de 10 000 passos.
Passar uma função
for name, sort in [("merge", merge), …]: as funções são valores, como os números.