数学的算法代码如何实现:神奇的斐波那契数列(Fibonacci sequence)

学术   2024-11-17 23:15   重庆  

一、斐波那契数列的定义

斐波那契数列可以用兔子数列来理解。
首先假设第一个月有一对初生兔子,第二个月进入成熟期,第三个月开始生育兔子,并兔子永不死去,它们按照下列的方式繁衍:

  1. 第一个月,1号兔子没有繁殖能力,还是一对。

  2. 第二个月,1号兔子进入成熟期,没有繁殖,还是一双。

  3. 第三个月,1号兔子生一对兔子(2号),这个月有(1+1=)2对兔子。

  4. 第四个月,1号兔子生一对兔子(3号),2号兔子进入成熟期,这个月有(1+2=)3对兔子。

  5. 第五个月,1号兔子生一对兔子(4号),2号兔子生一对兔子(5号),3号兔子进入成熟期,这个月有(3+2=)5对兔子。

  6. 第六个月,1号兔子生一对兔子(6号),2号兔子生一对兔子(7号),3号兔子进生一对兔子(8号),4号、5号 兔子进入成熟期,这个月有(3+5=)8对兔子。

依此类推。
可以明显地看到:当月的兔子数=上个月兔子数+上上个月兔子数

所以,不难看出,斐波那契数列是这样的:1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,...

递归表达就是:

二、Fibonacci算法设计

2.1、递归算法

设计递归算法实现斐波那契数列。

int Fibonacci(int n)
{
if (n <= 0)
return 0;
if (n == 1 || n == 2)
return 1;

return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}

测试代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int Fibonacci(int n)
{
if (n <= 0)
return 0;
if (n == 1 || n == 2)
return 1;

return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
}

int main(int argc,char **argv)
{
int n = 6;
if (argc > 1)
n = atoi(argv[1]);

printf("n= %d, Fibonacci: %d\n", n, Fibonacci(n));

return 0;

}

执行结果:

$ ./Fibonacci
n= 6, Fibonacci: 8

$ ./Fibonacci 10
n= 10, Fibonacci: 55

2.2、算法时间复杂度

用T(n)表示示Fibonacci(n)所需的基本操作次数,则:
n=1时,T(n)=1。
n=2时,T(n)=1。
n=3时,T(n)=3;调用Fib1(2)和Fib1(1)并执行一次加法运算(Fib1(2)+Fib1(1))。

因此,n>2时,T(n)=T(n-1)+T(n-2)+1。它们的关系为:

斐波那契数列的通项公式:

这里可以看到,时间复杂度属于爆炸增量函数。

2.3、算法改进1

int Fibonacci_1(int n) {
int *F = new int[n + 1];//定义一个长度为n+1的数组,空间尚未使用
F[1] = 1;
F[2] = 1;
for (int i = 3; i <= n; i++)
F[i] = F[i - 1] + F[i - 2];
return F[n];
}

这时,时间复杂度O(n),空间复杂度O(n)。时间复杂度降下来了,算法效率有了重大突破,但是空间复杂度上去了。

2.4、算法优化2

上述算法优化使用了一个辅助数组记录中间结果,空间复杂度O(n);其实只需要第n个斐波那契数,中间结果只是为了下一次使用,不需要保存。所以,可以采用迭代法进行算法优化:

int Fibonacci_2(int n){
if(n==1||n==2)
return 1;
int f1=1;
int fs2=1;
for(int i=3;i<=n;i++){
int tmp=f1+f2;
f1=f2;
f2=tmp;
}
return f2;
}

使用三个辅助变量进行迭代,时间复杂度O(n),但是空间复杂度降为O(1)。

三、斐波那契数列与黄金分割数

随着n趋向无穷大,斐波那契数列中前一项与后一项的比值越来越逼近黄金分割数0.618。

总结

  1. 斐波那契数列起源于兔子数列,数学源于生活。斐波那契数列与黄金分割数有着千丝万缕的关系。

  2. 算法难学的一个原因是算法本身具有一定的复杂性,需要持之以恒的学习和拓展自己的思维

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