迭代算法

2016年公布的管理科学技术名词

迭代是重复反馈过程的活动，其目的通常是为了逼近所需目标或结果。每一次对过程的重复称为一次“迭代”，而每一次迭代得到的结果会作为下一次迭代的初始值。

相关概念

函数

在数学中，迭代函数是在分形和动力系统中深入研究的对象。迭代函数是重复的与自身复合的函数，这个过程叫做迭代。

模型

迭代模型是RUP（Rational Unified Process，统一软件开发过程，统一软件过程）推荐的周期模型。

算法

迭代算法是用计算机解决问题的一种基本方法。它利用计算机运算速度快、适合做重复性操作的特点，让计算机对一组指令（或一定步骤）进行重复执行，在每次执行这组指令（或这些步骤）时，都从变量的原值推出它的一个新值。

RUP模型

理解

如果认为这个解释难以理解，可以这样想：

我们开发一个产品，如果不太复杂，会采用瀑布模型，简单的说就是先定义需求，然后构建框架，然后写代码，然后测试，最后发布一个产品。

这样，几个月过去了，直到最后一天发布时，大家才能见到一个产品。

这样的方式有明显的缺点，假如我们对用户的需求判断的不是很准确时——这是很常见的问题，一点也不少见——你工作了几个月甚至是几年，当你把产品拿给客户看时，客户往往会大吃一惊，这就是我要的东西吗？

方法

迭代的方式就有所不同，假如这个产品要求6个月交货，我在第一个月就会拿出一个产品来，当然，这个产品会很不完善，会有很多功能还没有添加进去，bug很多，还不稳定，但客户看了以后，会提出更详细的修改意见，这样，你就知道自己距离客户的需求有多远，我回家以后，再花一个月，在上个月所作的需求分析、框架设计、代码、测试等等的基础上，进一步改进，又拿出一个更完善的产品来，给客户看，让他们提意见。

就这样，我的产品在功能上、质量上都能够逐渐逼近客户的要求，不会出现我花了大量心血后，直到最后发布之时才发现根本不是客户要的东西的情况。

优势

这样的方法很不错，但他也有自己的缺陷，那就是周期长、成本很高。在应付大项目、高风险项目——就比如是航天飞机的控制系统时，迭代的成本比项目失败的风险成本低得多，用这种方式明显有优势。

如果你是给自己的单位开发一个小MIS，自己也比较清楚需求，工期上也不过花上个把月的时间，用迭代就有点杀鸡用了牛刀，那还是瀑布模型更管用，即使是做得不对，顶多再花一个月重来，没什么了不起。

基本算法

有些国外的教材，如《C++ Primer》第四版的中文版，会把iterative翻译成迭代。

在java中Iterative 仅用于遍历集合，本身并不提供盛装对象的能力。如果需要创建Iterative对象，则必须有一个被迭代的集合。没有集合的Iterative仿佛无本之木，没有存在的价值。

iterative是反复的意思，所以，有时候，迭代也会指循环执行，反复执行的意思。

利用迭代算法解决问题，需要做好以下三个方面的工作：

确定变量

在可以用迭代算法解决的问题中，至少存在一个直接或间接地不断由旧值递推出新值的变量，这个变量就是迭代变量。

建立关系式

所谓迭代关系式，指如何从变量的前一个值推出其下一个值的公式（或关系）。迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，通常可以使用递推或倒推的方法来完成。

过程控制

在什么时候结束迭代过程?这是编写迭代程序必须考虑的问题。不能让迭代过程无休止地重复执行下去。迭代过程的控制通常可分为两种情况：一种是所需的迭代次数是个确定的值，可以计算出来；另一种是所需的迭代次数无法确定。对于前一种情况，可以构建一个固定次数的循环来实现对迭代过程的控制；对于后一种情况，需要进一步分析出用来结束迭代过程的条件。

例1 ： Fibonacci Sequence(斐波那契数列)

即这样一个数列：0、1、1、2、3、5、8、13......，在数学上该数列定义为：

F(0)=0，F(1)=1; F(n) = F(n-1)+F(n-2) (n≥2,n∈N*)。

一般该数列可以递归实现，下面是用C语言迭代实现：

int fab(int n)

{ if (n<3)

{return 1;}

else

{int first = 1,second = 1,temp = 0;

for (int i =0;i

{temp = first + second;

first = second;

second = temp;}

return temp;

}

例 1 ：一个饲养场引进一只刚出生的新品种兔子，这种兔子从出生的下一个月开始，每月新生一只兔子，新生的兔子也如此繁殖。如果所有的兔子都不死去，问到第 12 个月时，该饲养场共有兔子多少只?

分析：这是一个典型的递推问题。我们不妨假设第 1 个月时兔子的只数为 u 1 ，第 2 个月时兔子的只数为 u 2 ，第 3 个月时兔子的只数为 u 3 ，……根据题意，“这种兔子从出生的下一个月开始，每月新生一只兔子”，则有

以下是引用片段：

u 1 = 1 ， u 2 = u 1 + u 1 × 1 = 2 ， u 3 = u 2 + u 2 × 1 = 4 ，……

根据这个规律，可以归纳出下面的递推公式：

以下是引用片段：

u n = （u n - 1） × 2 （n ≥ 2）* ①

对应 u n 和 u n - 1 ，定义两个迭代变量y 和 x ，可将上面的递推公式转换成如下迭代关系：

以下是引用片段：

y=x*2

x=y

让计算机对这个迭代关系重复执行 11 次，就可以算出第 12 个月时的兔子数。参考程序如下：

以下是引用片段：

cls

x=1

for i=2 to 12

y=x*2

x=y

next i

print y

end

例 2 ：阿米巴用简单分裂的方式繁殖，它每分裂一次要用 3 分钟。将若干个阿米巴放在一个盛满营养参液的容器内， 45 分钟后容器内充满了阿米巴。已知容器最多可以装阿米巴 2 20 个。试问，开始的时候往容器内放了多少个阿米巴?请编程序算出。

分析：根据题意，阿米巴每 3 分钟分裂一次，那么从开始的时候将阿米巴放入容器里面，到 45 分钟后充满容器，需要分裂 45/3=15 次。而“容器最多可以装阿米巴 2 20 个”，即阿米巴分裂 15 次以后得到的个数是 2 20。题目要求我们计算分裂之前的阿米巴数，不妨使用倒推的方法，从第 15 次分裂之后的 2 20 个，倒推出第 15 次分裂之前（即第 14 次分裂之后）的个数，再进一步倒推出第 13 次分裂之后、第 12 次分裂之后、……第 1 次分裂之前的个数。

设第 1 次分裂之前的个数为 x 0 、第 1 次分裂之后的个数为 x 1 、第 2 次分裂之后的个数为 x 2 、……第 15 次分裂之后的个数为 x 15 ，则有

以下是引用片段：

x 14 =x 15 /2 、 x 13 =x 14 /2 、…… x n-1 =x n /2 （n ≥ 1）

因为第 15 次分裂之后的个数 x 15 是已知的，如果定义迭代变量为 x ，则可以将上面的倒推公式转换成如下的迭代公式：

x=x/2 （x 的初值为第 15 次分裂之后的个数 2 20）

让这个迭代公式重复执行 15 次，就可以倒推出第 1 次分裂之前的阿米巴个数。因为所需的迭代次数是个确定的值，我们可以使用一个固定次数的循环来实现对迭代过程的控制。参考程序如下：

以下是引用片段：

cls

x=2^20

for i=1 to 15

x=x/2

next i

print x

end

例 3 ：验证角谷猜想。日本数学家角谷静夫在研究自然数时发现了一个奇怪现象：对于任意一个自然数 n ，若 n 为偶数，则将其除以 2 ；若 n 为奇数，则将其乘以 3 ，然后再加 1。如此经过有限次运算后，总可以得到自然数1。人们把角谷静夫的这一发现叫做“角谷猜想”。

要求：编写一个程序，由键盘输入一个自然数n ，把 n 经过有限次运算后，最终变成自然数 1 的全过程打印出来。

分析：定义迭代变量为 n ，按照角谷猜想的内容，可以得到两种情况下的迭代关系式：当 n 为偶数时， n=n/2 ；当 n 为奇数时， n=n*3+1。用 QBASIC 语言把它描述出来就是：

以下是引用片段：

if n 为偶数 then

n=n/2

else

n=n*3+1

end if

这就是需要计算机重复执行的迭代过程。这个迭代过程需要重复执行多少次，才能使迭代变量n 最终变成自然数1 ，这是我们无法计算出来的。因此，还需进一步确定用来结束迭代过程的条件。仔细分析题目要求，不难看出，对任意给定的一个自然数n ，只要经过有限次运算后，能够得到自然数 1 ，就已经完成了验证工作。因此，用来结束迭代过程的条件可以定义为：n=1。参考程序如下：

以下是引用片段：

cls

do until n=1

if n mod 2=0 then

rem 如果 n 为偶数，则调用迭代公式 n=n/2

n=n/2

else

n=n*3+1

end if

loop

end

应用实例