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Fibonacci数列及相关问题
Fibonacci数列及相关的问题的描述
- 给定正整数n, 求解Fibonacci数列第n项的值;
- 给定正整数N, 代表台阶, 一次可以跨2个或者1个台阶, 有多少走法
- 假设成熟的母牛只会生1头小母牛, 并且永远不会死, 第一年农场有1只成熟的母牛,从第二年开始, 母牛开始生小母牛. 每只小母牛3年之后成熟. 给定正整数N, 求出N年后牛的数量.
基础解法
递归的解法
递归的解法是最基础, 也是最好理解, 但是时间复杂度很高, 为 ,空间复杂度为
public static int fibRecursion(int n) {
if (n == 0) {
return 0;
}
if (n == 1) {
return 1;
}
return fibRecursion(n - 1) + fibRecursion(n - 2);
}
迭代的解法
迭代的解法即将已经解决的位置处的数存储, 之后直接调用, 不用再计算
时间复杂度为, 空间复杂度为.
public static int fibIteration(int n) {
if (n == 1) {
return 1;
}
if (n == 0) {
return 0;
}
int[] arr = new int[n + 1];
arr[0] = 0;
arr[1] = 1;
for (int i = 2; i < n + 1; i++) {
arr[i] = arr[i - 1] + arr[i - 2];
}
return arr[n];
}
仅记录前两个值, 空间复杂度为
public static BigInteger fibIteration(int n) {
if (n == 1) {
return new BigInteger("1");
}
if (n == 0) {
return new BigInteger("1");
}
BigInteger res = new BigInteger("0");
BigInteger pre_1 = BigInteger.valueOf(1);
BigInteger pre_2 = BigInteger.valueOf(0);
for (int i = 2; i < n + 1; i++) {
res = pre_1.add(pre_2);
pre_2 = pre_1;
pre_1 = res;
}
return res;
}
进阶解法
推导过程
$F(n)=F(n-1)+F(n-2) \Rightarrow \begin{vmatrix} F(n) & F(n-1) \end{vmatrix}
\begin{vmatrix} F(n) & F(n-1) \end{vmatrix} \times \begin{vmatrix} a & b \ c & d \end{vmatrix}$
解得:
即:
代码
public static BigInteger fibMatrix(int n) {
if (BigInteger.ZERO.compareTo(BigInteger.valueOf(n)) == 0) {
return new BigInteger("0");
}
if (BigInteger.ONE.compareTo(BigInteger.valueOf(n)) == 0) {
return new BigInteger("1");
}
return matrixPower(new int[][]{{1, 1}, {1, 0}}, n)[0][0];
}
//计算矩阵matrix的p次方
public static BigInteger[][] matrixPower(int[][] matrix, int p) throws IllegalArgumentException {
if (matrix[0].length != matrix.length) {
throw new IllegalArgumentException("矩阵输入错误, 无法进行乘法.");
}
BigInteger[][] res = new BigInteger[matrix.length][matrix.length];
for (int i = 0; i < res.length; i++) {
for (int j = 0; j < res[0].length; j++) {
res[i][j] = BigInteger.valueOf(0);
}
}
for (int i = 0; i < res.length; i++) {
res[i][i] = new BigInteger("1");
}
BigInteger[][] tmp = new BigInteger[matrix.length][matrix.length];
for (int i = 0; i < tmp.length; i++) {
for (int j = 0; j < tmp[0].length; j++) {
tmp[i][j] = BigInteger.valueOf(matrix[i][j]);
}
}
while (p > 0) {
int flag = p & 1;
if (flag == 1) {
res = multiMatrix(res, tmp);
}
tmp = multiMatrix(tmp, tmp);
p = p >> 1;
}
return multiMatrix(new BigInteger[][]{{new BigInteger("1"), new BigInteger("1")}}, res);
}
//矩阵乘法
public static BigInteger[][] multiMatrix(BigInteger[][] m1, BigInteger[][] m2) throws IllegalArgumentException {
if (m1[0].length != m2.length) {
throw new IllegalArgumentException("矩阵输入错误, 无法进行乘法.");
}
BigInteger[][] res = new BigInteger[m1.length][m2[0].length];
for (int i = 0; i < m1.length; i++) {
for (int j = 0; j < m2[0].length; j++) {
res[i][j] = new BigInteger("0");
}
}
for (int i = 0; i < m1.length; i++) {
for (int j = 0; j < m2[0].length; j++) {
for (int k = 0; k < m2.length; k++) {
res[i][j] = res[i][j].add(m1[i][k].multiply(m2[k][j]));
}
}
}
return res;
}
运行时间比较:
当n=45时, 递归的方法就需要6794ms才能完成.
当n=1000000时, 迭代的方法耗时16s左右, 使用矩阵的方法只需耗时1.266s即完成
Fibonacci数列及相关问题
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