Изучай Haskell во имя добра!

describeList :: [a] –> String

describeList xs = "Список " ++ what xs

  where

    what [] = "пуст."

    what [x] = "одноэлементный."

    what xs = "длинный."

4 Рекурсия

Привет, рекурсия!

В предыдущей главе мы кратко затронули рекурсию. Теперь мы изучим её более подробно, узнаем, почему она так важна для языка Haskell и как мы можем создавать лаконичные и элегантные решения, думая рекурсивно.

Если вы всё ещё не знаете, что такое рекурсия, прочтите это предложение ещё раз. Шучу!.. На самом деле рекурсия – это способ определять функции таким образом, что функция применяется в собственном определении. Стратегия решения при написании рекурсивно определяемых функций заключается в разбиении задачи на более мелкие подзадачи того же вида и в попытке их решения путём разбиения при необходимости на ещё более мелкие. Рано или поздно мы достигаем базовый случай (или базовые случаи) задачи, разбить который на подзадачи не удаётся и который требует написания явного (нерекурсивного) решения.

Многие понятия в математике даются рекурсивно. Например, последовательность чисел Фибоначчи. Мы определяем первые два числа Фибоначчи не рекурсивно. Допустим, F(0) = 0 и F(1) = 1; это означает, что нулевое и первое число из ряда Фибоначчи – это ноль и единица. Затем мы определим, что для любого натурального числа число Фибоначчи представляет собой сумму двух предыдущих чисел Фибоначчи. Таким образом, F(n) = F(n – 1) + F(n – 2). Получается, что F(3) – это F(2) + F(1), что в свою очередь даёт (F(1) + F(0)) + F(1). Так как мы достигли чисел Фибоначчи, заданных не рекурсивно, то можем точно сказать, что F(3) равно двум.

Рекурсия исключительно важна для языка Haskell, потому что, в отличие от императивных языков, вы выполняете вычисления в Haskell, описывая некоторое понятие, а не указывая, как его получить. Вот почему в этом языке нет циклов типа while и for – вместо этого мы зачастую должны использовать рекурсию, чтобы описать, что представляет собой та или иная сущность.

Максимум удобства

Функция maximum принимает список упорядочиваемых элементов (то есть экземпляров класса Ord) и возвращает максимальный элемент. Подумайте, как бы вы реализовали эту функцию в императивном стиле. Вероятно, завели бы переменную для хранения текущего значения максимального элемента – и затем в цикле проверяли бы элементы списка. Если элемент больше, чем текущее максимальное значение, вы бы замещали его новым значением. То, что осталось в переменной после завершения цикла, – и есть максимальный элемент. Ух!.. Довольно много слов потребовалось, чтобы описать такой простой алгоритм!

Ну а теперь посмотрим, как можно сформулировать этот алгоритм рекурсивно. Для начала мы бы определили базовые случаи. В пустом списке невозможно найти максимальный элемент. Если список состоит из одного элемента, то максимум равен этому элементу. Затем мы бы сказали, что максимум списка из более чем двух элементов – это большее из двух чисел: первого элемента («головы») или максимального элемента оставшейся части списка («хвоста»). Теперь запишем это на языке Haskell.

maximum' :: (Ord a) => [a] –> a

maximum' [] = error "максимум в пустом списке"

maximum' [x] = x

maximum' (x:xs) = max x (maximum' xs)

Как вы видите, сопоставление с образцом отлично дополняет рекурсию! Возможность сопоставлять с образцом и разбивать сопоставляемое значение на компоненты облегчает запись подзадач в задаче поиска максимального элемента. Первый образец говорит, что если список пуст – это ошибка! В самом деле, какой максимум у пустого списка? Я не знаю. Второй образец также описывает базовый случай. Он говорит, что если в списке всего один элемент, надо его вернуть в качестве максимального.

В третьем образце происходит самое интересное. Мы используем сопоставление с образцом для того, чтобы разбить список на «голову» и «хвост». Это очень распространённый приём при работе со списками, так что привыкайте. Затем мы вызываем уже знакомую функцию max, которая принимает два параметра и возвращает больший из них. Если x больше наибольшего элемента xs, то вернётся x; в противном случае вернётся наибольший элемент xs. Но как функция maximum' найдёт наибольший элемент xs? Очень просто — вызвав себя рекурсивно.