深入理解Python闭包与递归:原理、应用与实践


目录

闭包

什么是闭包:

闭包的基本结构:

实现闭包的条件:

1.嵌套函数

2.内函数引用外部函数的变量

3.外部函数返回内部函数

4.外部函数已经执行完毕

递归函数

什么是递归函数:

递归函数条件

[1.必须有个明确的结束条件 ---------递归出口](#1.必须有个明确的结束条件 ———递归出口)

2.每进行更深一步的递归,问题规模相比上一次递归都要有所减少

3.相邻两次重复之间有紧密联系

分析一下这段代码

1.函数定义:

[2. 基准条件(Base Case)](#2. 基准条件(Base Case))

[3. 递归条件(Recursive Case)](#3. 递归条件(Recursive Case))

典型的递归函数的例子

1到100的相加

2.斐波那契数列

递归的优缺点

优点

缺点

递归的应用场景

递归的注意事项


闭包

什么是闭包:

闭包是指在一个函数内部定义的函数,并且这个内部函数引用了外部函数的变量。即使外部函数已经执行完毕,内部函数仍然可以访问和操作这些变量

闭包的基本结构:

python 复制代码
def outer_function(x):
    def inner_function(y):
        return x + y
    return inner_function

closure = outer_function(10)
print(closure(5))  # 输出 15

接下来我为大家解释一下这段代码:

  • outer_function 是外部函数,它接受一个参数 x

  • inner_function 是内部函数,它接受一个参数 y,并且引用了外部函数的变量 x

  • outer_function 返回 inner_function,而不是调用它。

  • 当我们调用 outer_function(10) 时,它返回 inner_function,并且 x 被设置为 10

  • 然后我们调用 closure(5),实际上是在调用 inner_function(5),此时 x 仍然是 10,所以结果是 15

实现闭包的条件:

1.嵌套函数

闭包必须在一个外部函数中定义一个内部函数。也就是说,函数内部再定义一个函数。

python 复制代码
def outer_function():
    def inner_function():
        pass
    return inner_function

2.内函数引用外部函数的变量

内部函数必须引用外部函数的变量(即自由变量)。这是闭包的核心,内部函数通过引用外部函数的变量来"记住"外部函数的环境。

python 复制代码
def outer_function(x):
    def inner_function(y):
        return x + y  # 内部函数引用了外部函数的变量 x
    return inner_function

3.外部函数返回内部函数

外部函数必须返回内部函数(而不是调用它)。这样,内部函数可以在外部函数执行完毕后继续存在,并且仍然可以访问外部函数的变量。

python 复制代码
def outer_function(x):
    def inner_function(y):
        return x + y
    return inner_function  # 返回内部函数,而不是调用它

closure = outer_function(10)
print(closure(5))  # 输出 15

4.外部函数已经执行完毕

闭包的特性在于,即使外部函数已经执行完毕,内部函数仍然可以访问外部函数的变量。这是因为闭包将外部函数的变量"捕获"并保存在内部函数的环境中。

python 复制代码
def outer_function(x):
    def inner_function(y):
        return x + y
    return inner_function

closure = outer_function(10)  # 外部函数执行完毕,x 被设置为 10
print(closure(5))  # 内部函数仍然可以访问 x,输出 15

++总结一下:++

  1. 嵌套函数:在一个函数内部定义另一个函数。

  2. 内部函数引用外部函数的变量:内部函数必须引用外部函数的变量。

  3. 外部函数返回内部函数:外部函数返回内部函数,而不是调用它。

  4. 外部函数已经执行完毕:即使外部函数执行完毕,内部函数仍然可以访问外部函数的变量。

这些条件共同作用,使得闭包能够"记住"其定义时的环境,并在后续调用中继续使用这些环境中的变量。


递归函数

什么是递归函数:

递归函数(Recursive Function)是指在函数的定义中调用函数自身的函数。递归是一种强大的编程技术,特别适用于解决可以分解为相似子问题的问题。理解递归的概念和应用场景,可以帮助你编写更加简洁和优雅的代码。

递归函数条件

1.必须有个明确的结束条件 ---------递归出口

2.每进行更深一步的递归,问题规模相比上一次递归都要有所减少

3.相邻两次重复之间有紧密联系

递归的基本结构

python 复制代码
def recursive_function(parameters):
    if base_case_condition(parameters):  # 基准条件
        return base_case_value
    else:
        # 递归条件
        return recursive_function(modified_parameters)

分析一下这段代码
1.函数定义:
  • recursive_function 是一个递归函数,它接受一个或多个参数 parameters

  • 参数 parameters 是递归函数的输入,通常用于表示当前问题的状态或规模。


    2. 基准条件(Base Case)
  • if base_case_condition(parameters):

    • 这是递归的终止条件。

    • base_case_condition(parameters) 是一个判断条件,用于检查当前参数是否满足递归终止的条件。

    • 如果满足基准条件,函数直接返回 base_case_value,不再进行递归调用。

    • 基准条件的作用:防止无限递归,确保递归最终能够终止。

示例:

在这个例子中,n == 0 是基准条件,当 n0 时,递归停止,函数返回 1


3. 递归条件(Recursive Case)
  • else:

    • 如果基准条件不满足,函数进入递归条件。

    • 在递归条件中,函数会调用自身(即 recursive_function),但传入的参数会被修改(modified_parameters)。

    • 修改参数的目的是将问题规模缩小,逐步逼近基准条件。

      python 复制代码
      def factorial(n):
          if n == 0:  # 基准条件
              return 1
          else:  # 递归条件
              return n * factorial(n - 1)

      在这个例子中,factorial(n - 1) 是递归调用,每次递归调用时,n 的值都会减小,逐步逼近基准条件 n == 0

典型的递归函数的例子

1到100的相加

(一般方法)

python 复制代码
# def add():
#     s=0
#     for i in range(1,101):
#         s +=i
#     print(s)
# add()

采用递归

python 复制代码
# def add(n):
#     if n ==1:
#         return 1
#
#     return n +add(n-1)
# print(add(100))

2.斐波那契数列

python 复制代码
def fibonacci(n):
    if n == 0:  # 基准条件
        return 0
    elif n == 1:  # 基准条件
        return 1
    else:
        return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)  # 递归条件

print(fibonacci(10))  # 输出 55

这个例子中:

  • n01 时,函数返回相应的基准值。

  • 否则,函数返回 fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2),即前两个斐波那契数的和。

递归的优缺点

优点

  1. 简洁性:递归代码通常比迭代代码更简洁和易读。

  2. 自然表达:对于某些问题(如树遍历、分治算法等),递归提供了一种自然的表达方式

缺点

  1. 性能问题:递归可能会导致大量的函数调用,增加栈的深度,从而影响性能。

  2. 栈溢出:如果递归深度过大,可能会导致栈溢出错误。

  3. 重复计算:在某些情况下(如斐波那契数列的简单递归实现),递归可能会导致大量的重复计算。

递归的应用场景

  1. 树和图的遍历:递归非常适合用于树和图的遍历(如深度优先搜索)。

  2. 分治算法:许多分治算法(如归并排序、快速排序)都使用递归来分解问题。

  3. 动态规划:递归常用于动态规划问题的初始实现,然后可以通过记忆化或迭代来优化。

递归的注意事项

  1. 确保基准条件正确:基准条件是递归终止的关键,必须确保它能够正确终止递归。

  2. 避免无限递归:如果递归条件没有正确地向基准条件靠近,可能会导致无限递归,最终导致栈溢出。

  3. 考虑性能问题:对于性能敏感的应用,可能需要将递归转换为迭代,或使用记忆化来优化递归。

总结一下: 递归函数是一种强大的编程工具,特别适用于解决可以分解为相似子问题的问题。理解递归的基本概念、优缺点和应用场景,可以帮助你编写更加简洁和优雅的代码。然而,递归也需要谨慎使用,特别是在性能敏感的应用中

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