斐波那契(Fibonacci)数列的七种实现方法

时间:2022-08-21 07:11:54

废话不多说,直接上代码

#include "stdio.h"
#include "queue"
#include "math.h"
using namespace std; ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//一:递归实现
// 使用公式f[n]=f[n-1]+f[n-2],依次递归计算,递归结束条件是f[1]=1,f[2]=1。
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int fib1(int index)
{
if(index<1)
{
return -1;
}
if(index==1 || index==2)
return 1;
return fib1(index-1)+fib1(index-2);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//二:数组实现
// 空间复杂度和时间复杂度都是0(n),效率一般,比递归来得快。
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int fib2(int index)
{
if(index<1)
{
return -1;
}
if(index<3)
{
return 1;
}
int *a=new int[index];
a[0]=a[1]=1;
for(int i=2;i<index;i++)
a[i]=a[i-1]+a[i-2];
int m=a[index-1];
delete a; //释放内存空间
return m;
}
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//三:vector<int>实现
// 时间复杂度是0(n),空间复杂度是0(1),当然vector有自己的属性会占用资源。
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int fib3(int index)
{
if(index<1)
{
return -1;
}
vector<int> a(2,1); //创建一个含有2个元素都为1的向量
a.reserve(3);
for(int i=2;i<index;i++)
{
a.insert(a.begin(),a.at(0)+a.at(1));
a.pop_back();
}
return a.at(0);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//四:queue<int>实现
// 当然队列比数组更适合实现斐波那契数列,时间复杂度和空间复杂度和vector<int>一样,但队列太适合这里了,
// f(n)=f(n-1)+f(n-2),f(n)只和f(n-1)和f(n-2)有关,f(n)入队列后,f(n-2)就可以出队列了。
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int fib4(int index)
{
if(index<1)
{
return -1;
}
queue<int>q;
q.push(1);
q.push(1);
for(int i=2;i<index;i++)
{
q.push(q.front()+q.back());
q.pop();
}
return q.back();
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//五:迭代实现
// 迭代实现是最高效的,时间复杂度是0(n),空间复杂度是0(1)。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int fib5(int n) //迭代实现
{
int i,a=1,b=1,c=1;
if(n<1)
{
return -1;
}
for(i=2;i<n;i++)
{
c=a+b; //辗转相加法(类似于求最大公约数的辗转相除法)
a=b;
b=c;
}
return c;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//六:公式实现
// 斐波那契数列有公式的,所以可以使用公式来计算的。
// 由于double类型的精度还不够,所以程序算出来的结果会有误差,如果把公式展开计算,得出的结果就是正确的。
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int fib6(int n)
{
double gh5=sqrt((double)5);
return (pow((1+gh5),n)-pow((1-gh5),n))/(pow((double)2,n)*gh5);
} //简单的测试
int main()
{
printf("%d\n",fib1(10));
printf("%d\n",fib2(10));
printf("%d\n",fib3(10));
printf("%d\n",fib4(10));
printf("%d\n",fib5(10));
printf("%d\n",fib6(10));//有误差!
return 0;
}

七:矩阵乘法

最后一种方法不是一种实用的方法,也比较难以想到,其算法实现也比较复杂,在此单述。

我们将数列写成:

Fibonacci[0] = 0,Fibonacci[1] = 1

Fibonacci[n] = Fibonacci[n-1] + Fibonacci[n-2] (n >= 2)

可以将它写成矩阵乘法形式:

斐波那契(Fibonacci)数列的七种实现方法

将右边连续的展开就得到:

斐波那契(Fibonacci)数列的七种实现方法

下面就是要用O(log(n))的算法计算:斐波那契(Fibonacci)数列的七种实现方法

#include<stdio.h>

struct Matrix2By2
{
Matrix2By2
(
long long m00 = 0,
long long m01 = 0,
long long m10 = 0,
long long m11 = 0
)
: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;
}; 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);
} Matrix2By2 MatrixPower(unsigned int n)
{
Matrix2By2 matrix;
if(n == 1)
{
matrix = Matrix2By2(1, 1, 1, 0);
}
else if(n % 2 == 0)
{
matrix = MatrixPower(n / 2);
matrix = MatrixMultiply(matrix, matrix);
}
else if(n % 2 == 1)
{
matrix = MatrixPower((n - 1) / 2);
matrix = MatrixMultiply(matrix, matrix);
matrix = MatrixMultiply(matrix, Matrix2By2(1, 1, 1, 0));
} return matrix;
} long long fib7(unsigned int n)
{
int result[2] = {0, 1};
if(n < 2)
return result[n]; Matrix2By2 PowerNMinus2 = MatrixPower(n - 1);
return PowerNMinus2.m_00;
} //简单的测试
int main()
{
printf("%d\n",fib7(10));
return 0;
}