【编程题目】题目:定义 Fibonacci 数列 输入 n,用最快的方法求该数列的第 n 项。
第 19 题(数组、递归):
题目:定义 Fibonacci 数列如下:
/ 0 n=0
f(n)= 1 n=1
/ f(n-1)+f(n-2) n=2
输入 n,用最快的方法求该数列的第 n 项。
思路:递归和非递归的 下面的代码有个问题,没有考虑大数越界。返回值应该设成long long型的
递归速度非常慢
/*
第 19 题(数组、递归):
题目:定义 Fibonacci 数列如下:
/ 0 n=0
f(n)= 1 n=1
/ f(n-1)+f(n-2) n=2
输入 n,用最快的方法求该数列的第 n 项。
start time 13:05
end time 13:16
*/ #include <stdio.h> //递归
int Fibonacci(int n)
{
switch(n)
{
case :
return ;
case :
return ;
default:
return Fibonacci(n - ) + Fibonacci(n - );
}
} //非递归
int nonrecursionFibonacci(int n)
{
int a = , b = ;
switch(n)
{
case :
return ;
case :
return ;
default:
{
for (int i = ; i < n - ; i++)
{
int c = a + b;
a = b;
b = c;
}
return b;
}
}
} int main()
{
//int f = Fibonacci(10000);
int ff = nonrecursionFibonacci();
return ;
}
网上有O(logN)的解法
http://leowzy.iteye.com/blog/787947
这还不是最快的方法。下面介绍一种时间复杂度是O(logn)的方法。在介绍这种方法之前,先介绍一个数学公式:
{f(n), f(n-1), f(n-1),
f(n-2)} ={1, 1, 1,0}n-1
(注:{f(n+1), f(n), f(n),
f(n-1)}表示一个矩阵。在矩阵中第一行第一列是f(n+1),第一行第二列是f(n),第二行第一列是f(n),第二行第二列是f(n-1)。)
有了这个公式,要求得f(n),我们只需要求得矩阵{1, 1, 1,0}的n-1次方,因为矩阵{1, 1,
1,0}的n-1次方的结果的第一行第一列就是f(n)。这个数学公式用数学归纳法不难证明。感兴趣的朋友不妨自己证明一下。
现在的问题转换为求矩阵{1,
1, 1, 0}的乘方。如果简单第从0开始循环,n次方将需要n次运算,并不比前面的方法要快。但我们可以考虑乘方的如下性质:
/
an/2*an/2 n为偶数时
an=
\
a(n-1)/2*a(n-1)/2 n为奇数时
要求得n次方,我们先求得n/2次方,再把n/2的结果平方一下。如果把求n次方的问题看成一个大问题,把求n/2看成一个较小的问题。这种把大问题分解成一个或多个小问题的思路我们称之为分治法。这样求n次方就只需要logn次运算了。
实现这种方式时,首先需要定义一个2×2的矩阵,并且定义好矩阵的乘法以及乘方运算。当这些运算定义好了之后,剩下的事情就变得非常简单。完整的实现代码如下所示。
#include <cassert>
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
// A 2 by 2 matrix
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
struct Matrix2By2
{
Matrix2By2
(
long long m00 = ,
long long m01 = ,
long long m10 = ,
long long m11 =
)
:m_00(m00), m_01(m01), m_10(m10), m_11(m11)
{
} long long m_00;
long long m_01;
long long m_10;
long long m_11;
}; ///////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Multiply two matrices
// Input: matrix1 - the first matrix
// matrix2 - the second matrix
//Output: the production of two matrices
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
Matrix2By2 MatrixMultiply
(
const Matrix2By2& matrix1,
const Matrix2By2& matrix2
)
{
return Matrix2By2(
matrix1.m_00 * matrix2.m_00 + matrix1.m_01 * matrix2.m_10,
matrix1.m_00 * matrix2.m_01 + matrix1.m_01 * matrix2.m_11,
matrix1.m_10 * matrix2.m_00 + matrix1.m_11 * matrix2.m_10,
matrix1.m_10 * matrix2.m_01 + matrix1.m_11 * matrix2.m_11);
} ///////////////////////////////////////////////////////////////////////
// The nth power of matrix
// 1 1
// 1 0
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
Matrix2By2 MatrixPower(unsigned int n)
{
assert(n > ); Matrix2By2 matrix;
if(n == )
{
matrix = Matrix2By2(, , , );
}
else if(n % == )
{
matrix = MatrixPower(n / );
matrix = MatrixMultiply(matrix, matrix);
}
else if(n % == )
{
matrix = MatrixPower((n - ) / );
matrix = MatrixMultiply(matrix, matrix);
matrix = MatrixMultiply(matrix, Matrix2By2(, , , ));
} return matrix;
} ///////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Calculate the nth item of Fibonacci Series using devide and conquer
///////////////////////////////////////////////////////////////////////
long long Fibonacci_Solution3(unsigned int n)
{
int result[] = {, };
if(n < )
return result[n]; Matrix2By2 PowerNMinus2 = MatrixPower(n - );
return PowerNMinus2.m_00;
}
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