斐波那契数列的几种编程实现及一般推广

斐波那契数列是一列规律很简单、明显的数列,它的第0项是0,第1项是1,第2项是1,依此类推,之后每一项是之前两数的和。首几个数是:

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946 ……(OEIS A000045

编程实现

实现它最容易想到的方法,可以设一个数组,首两项是0和1,从n=2项起,每一项是之前两项之和,循环依次赋值,这里代码略去。下面介绍另几种实现方法。

用递归方法实现:

static long getItemRecursive(int index)
{
	if (index < 1) return 0;
	if (index == 1) return 1;
	return getItemRecursive(index - 1) + getItemRecursive(index - 2);
}

这种实现方式最直观,但会很耗时,若方法名为fib,当index为5时,fib(5)的计算过程如下:

  1. fib(5)
  2. fib(4) + fib(3)
  3. (fib(3) + fib(2)) + (fib(2) + fib(1))
  4. ((fib(2) + fib(1)) + (fib(1) + fib(0))) + ((fib(1) + fib(0)) + fib(1))
  5. (((fib(1) + fib(0)) + fib(1)) + (fib(1) + fib(0))) + ((fib(1) + fib(0)) + fib(1))

由上面可以看出,这种算法对于相似的子问题进行了重复的计算,因此不是一种高效的算法。实际上,该算法的运算时间是指数级增长的。

另外两种递归实现:

static long getItem2(int index)
{
	return getItemRecursive2(0, 1, 0, index);
}

static long getItemRecursive2(int curr, int next, int currIndex, int index)
{
	if (currIndex == index)
	{
		return curr;
	}
	else
	{
		return getItemRecursive2(next, curr + next, currIndex + 1, index);
	}
}
static void getItemRecursive1(out long a2, out long a1, int index)
{
	if (index <= 1)
	{
		a2 = 1;
		a1 = 0;
	}
	else
	{
		long m2, m1;
		getItemRecursive1(out m2, out m1, index - 1);
		a1 = m2;
		a2 = m2 + m1;
	}
}

利用动态规划:

static long getItem(int index)
{
	long n0 = 0, n1 = 1;
	if (index < 1) return n0;
	if (index == 1) return n1;
	long sn;
	for (int i = 2; i <= index; i++)
	{
		sn = n0 + n1;
		n0 = n1;
		n1 = sn;
		//或者以下方法
		//n1 = n0 + n1;
		//n0 = n1 - n0;
		//或者以下方法
		//n0 = n1 ^ (n0 + n1);
		//n1 = n1 ^ n0;
		//n0 = n1 ^ n0;
	}
	return n1;
}

利用矩阵乘法、快速幂的实现:

这种方式当计算较大项(index大于65535)时,所花费的时间要比前面的方法花费的时间至少一个数量级。

原理如下:



实现代码:

class FibonacciCalculator
{
	struct FibonacciMatrixMultiple
	{
		public BigInteger a11;
		public BigInteger a12;
		public BigInteger a21;
		public BigInteger a22;

		public FibonacciMatrixMultiple(BigInteger p_a11, BigInteger p_a12, BigInteger p_a21, BigInteger p_a22)
		{
			this.a11 = p_a11;
			this.a12 = p_a12;
			this.a21 = p_a21;
			this.a22 = p_a22;
		}

		public static FibonacciMatrixMultiple operator *(FibonacciMatrixMultiple mat1, FibonacciMatrixMultiple mat2)
		{
			return new FibonacciMatrixMultiple(
				mat1.a11 * mat2.a11 + mat1.a12 * mat2.a21,
				mat1.a11 * mat2.a12 + mat1.a12 * mat2.a22,
				mat1.a21 * mat2.a11 + mat1.a22 * mat2.a21,
				mat1.a21 * mat2.a12 + mat1.a22 * mat2.a22
				);
		}
	}

	struct FibonacciMatrix
	{
		public BigInteger a11;
		public BigInteger a21;

		public FibonacciMatrix(BigInteger p_a11, BigInteger p_a21)
		{
			this.a11 = p_a11;
			this.a21 = p_a21;
		}

		public static FibonacciMatrix operator *(FibonacciMatrixMultiple mat1, FibonacciMatrix mat2)
		{
			return new FibonacciMatrix(
				mat1.a11 * mat2.a11 + mat1.a12 * mat2.a21,
				mat1.a21 * mat2.a11 + mat1.a22 * mat2.a21
				);
		}
	}

	private static FibonacciMatrix getFibonacciMatrix(int n)
	{
		FibonacciMatrix resultMatix = new FibonacciMatrix(1, 1);
		FibonacciMatrixMultiple multiple = new FibonacciMatrixMultiple(1, 1, 1, 0);
		while (n > 0)
		{
			if ((n & 1) == 1)
				resultMatix = multiple * resultMatix;
			n >>= 1;
			if (n > 0)
				multiple *= multiple;
		}
		return resultMatix;
	}

	public static BigInteger GetFibonacci(int index)
	{
		if (index < 1) return 0;
		if (index == 1) return 1;
		return getFibonacciMatrix(index - 2).a11;
	}
}

JAVA实现:

 1 class FibonacciCalculator {
 2     static class FibonacciMatrixMultiple {
 3         public BigInteger a11;
 4         public BigInteger a12;
 5         public BigInteger a21;
 6         public BigInteger a22;
 7 
 8         public FibonacciMatrixMultiple(BigInteger p_a11, BigInteger p_a12,
 9                 BigInteger p_a21, BigInteger p_a22) {
10             this.a11 = p_a11;
11             this.a12 = p_a12;
12             this.a21 = p_a21;
13             this.a22 = p_a22;
14         }
15     }
16 
17     public static FibonacciMatrixMultiple Multiply(
18             FibonacciMatrixMultiple mat1, FibonacciMatrixMultiple mat2) {
19         return new FibonacciMatrixMultiple(mat1.a11.multiply(mat2.a11).add(
20                 mat1.a12.multiply(mat2.a21)), mat1.a11.multiply(mat2.a12).add(
21                 mat1.a12.multiply(mat2.a22)), mat1.a21.multiply(mat2.a11).add(
22                 mat1.a22.multiply(mat2.a21)), mat1.a21.multiply(mat2.a12).add(
23                 mat1.a22.multiply(mat2.a22)));
24     }
25 
26     static class FibonacciMatrix {
27         public BigInteger a11;
28         public BigInteger a21;
29 
30         public FibonacciMatrix(BigInteger p_a11, BigInteger p_a21) {
31             this.a11 = p_a11;
32             this.a21 = p_a21;
33         }
34     }
35 
36     public static FibonacciMatrix Multiply2(FibonacciMatrixMultiple mat1,
37             FibonacciMatrix mat2) {
38         return new FibonacciMatrix(mat1.a11.multiply(mat2.a11).add(
39                 mat1.a12.multiply(mat2.a21)), mat1.a21.multiply(mat2.a11).add(
40                 mat1.a22.multiply(mat2.a21)));
41     }
42 
43     private static FibonacciMatrix getFibonacciMatrix(int n) {
44         FibonacciMatrix resultMatrix = new FibonacciMatrix(
45                 BigInteger.valueOf(1), BigInteger.valueOf(1));
46         FibonacciMatrixMultiple multiple = new FibonacciMatrixMultiple(
47                 BigInteger.valueOf(1), BigInteger.valueOf(1),
48                 BigInteger.valueOf(1), BigInteger.valueOf(0));
49         while (n > 0) {
50             if ((n & 1) == 1)
51                 resultMatrix = Multiply2(multiple, resultMatrix);
52             n >>= 1;
53             if (n > 0)
54                 multiple = Multiply(multiple, multiple);
55         }
56         return resultMatrix;
57     }
58 
59     public static BigInteger GetFibonacci(int index) {
60         if (index < 1)
61             return BigInteger.valueOf(0);
62         if (index == 1)
63             return BigInteger.valueOf(1);
64         return getFibonacciMatrix(index - 2).a11;
65     }
66 }
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通项公式

斐波那契数列有通项公式(推导见下方):

令人惊奇的是,公式中的an值是以无理数的幂表示的,然而所得的结果完全是整数。

不难看出,数列随着项数n的增加,前后项之比值会愈来愈趋近于黄金比例。

推广

斐波那契—卢卡斯数列

卢卡斯数列1、3、4、7、11、18…,也具有斐波那契数列同样的性质。(我们可称之为斐波那契—卢卡斯递推:从第三项开始,每一项都等于前两项之和f(n) = f(n-1)+ f(n-2)。

卢卡斯数列的通项公式为 f(n)=[(1+√5)/2]^n+[(1-√5)/2]^n

这两个数列还有一种特殊的联系(如下表所示),F(n)*L(n)=F(2n),及L(n)=F(n-1)+F(n+1)

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
斐波那契数列F(n) 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55
卢卡斯数列L(n) 1 3 4 7 11 18 29 47 76 123
F(n)*L(n) 1 3 8 21 55 144 377 987 2584 6765

类似的数列还有无限多个,我们称之为斐波那契—卢卡斯数列。

如1,4,5,9,14,23…,因为1,4开头,可记作F[1,4],斐波那契数列就是F[1,1],卢卡斯数列就是F[1,3],斐波那契—卢卡斯数列就是F[a,b]。

斐波那契—卢卡斯数列之间的广泛联系
①任意两个或两个以上斐波那契—卢卡斯数列之和或差仍然是斐波那契—卢卡斯数列。
如:F[1,4]n+F[1,3]n=F[2,7]n,F[1,4]n-F[1,3]n=F[0,1]n=F[1,1](n-1)

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
F[1,4]n 1 4 5 9 14 23 37 60 97 157
F[1,3]n 1 3 4 7 11 18 29 47 76 123
F[1,4]n-F[1,3]n 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34
F[1,4]n+F[1,3]n 2 7 9 16 25 41 66 107 173 280

②任何一个斐波那契—卢卡斯数列都可以由斐波那契数列的有限项之和获得,如

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
F[1,1](n) 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55
F[1,1](n-1) 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34
F[1,1](n-1) 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34
F[1,3]n 1 3 4 7 11 18 29 47 76 123

黄金特征与孪生斐波那契—卢卡斯数列

斐波那契—卢卡斯数列的另一个共同性质:中间项的平方数与前后两项之积的差的绝对值是一个恒值,
斐波那契数列:|1*1-1*2|=|2*2-1*3|=|3*3-2*5|=|5*5-3*8|=|8*8-5*13|=…=1
卢卡斯数列:|3*3-1*4|=|4*4-3*7|=…=5
F[1,4]数列:|4*4-1*5|=11
F[2,5]数列:|5*5-2*7|=11
F[2,7]数列:|7*7-2*9|=31
斐波那契数列这个值是1最小,也就是前后项之比接近黄金比例最快,我们称为黄金特征,黄金特征1的数列只有斐波那契数列,是独生数列。卢卡斯数列的黄金特征是5,也是独生数列。前两项互质的独生数列只有斐波那契数列和卢卡斯数列这两个数列。
而F[1,4]与F[2,5]的黄金特征都是11,是孪生数列。F[2,7]也有孪生数列:F[3,8]。其他前两项互质的斐波那契—卢卡斯数列都是孪生数列,称为孪生斐波那契—卢卡斯数列。

广义斐波那契数列

斐波那契数列的黄金特征1,还让我们联想到佩尔数列:1,2,5,12,29,…,也有|2*2-1*5|=|5*5-2*12|=…=1(该类数列的这种特征值称为勾股特征)。
佩尔数列Pn的递推规则:P1=1,P2=2,Pn=P(n-2)+2P(n-1).
据此类推到所有根据前两项导出第三项的通用规则:f(n) = f(n-1) * p + f(n-2) * q,称为广义斐波那契数列。
当p=1,q=1时,我们得到斐波那契—卢卡斯数列。
当p=2,q=1时,我们得到佩尔—勾股弦数(跟边长为整数的直角三角形有关的数列集合)。
当p=2,q=-1时,我们得到等差数列。其中f(1)=1,f(2)=2时,我们得到自然数列1,2,3,4…。自然数列的特征就是每个数的平方与前后两数之积的差为1(等差数列的这种差值称为自然特征)。
具有类似黄金特征、勾股特征、自然特征的广义斐波那契数列p=±1。
当f1=1,f2=2,p=2,q=1时,我们得到等比数列1,2,4,8,16……

通项公式推导

对于广义斐波那契数列F_n=p \cdot F_{n-1}+q \cdot F_{n-2},有

a_n=pa_{n-1}+qa_{n-2}

a_n +\alpha a_{n-1}=\beta (a_{n-1}+\alpha a_{n-2})

化简得:

a_n=(\beta -\alpha) a_{n-1}+ \alpha\beta a_{n-2}

比较系数可得:

 \begin{cases} \beta-\alpha=p \\ \alpha\beta=q \end{cases}

当p2 + 4q  > 0,解得:

 \begin{cases} \alpha_1=\dfrac{-p+\sqrt{p^2+4q}}{2} \\ \beta_1=\dfrac{p+\sqrt{p^2+4q}}{2} \end{cases}

 \begin{cases} \alpha_2=\dfrac{-p-\sqrt{p^2+4q}}{2} \\ \beta_2=\dfrac{p-\sqrt{p^2+4q}}{2} \end{cases}

T_n=a_n+\alpha_1a_{n-1}

T_n=\beta_1T_{n-1}

T_n={\beta_1}^{n-2}T_2

a_n+\dfrac{-p+\sqrt{p^2+4q}}{2}a_{n-1}=\left(\dfrac{p+\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-2}\left(a_2+\dfrac{-p+\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right) ...①

S_n=a_n+\alpha_2a_{n-1}

S_n=\beta_2S_{n-1}

S_n={\beta_2}^{n-2}S_2

a_n+\dfrac{-p-\sqrt{p^2+4q}}{2}a_{n-1}=\left(\dfrac{p-\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-2}\left(a_2+\dfrac{-p-\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right) ...②

联立①、②式,

①式等式两边同乘β1得:

\dfrac{p+\sqrt{p^2+4q}}{2}a_n+2qa_{n-1}=\left(\dfrac{p+\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-1}\left(a_2+\dfrac{-p+\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right)

②式等式两边同乘β2得:

\dfrac{p-\sqrt{p^2+4q}}{2}a_n+2qa_{n-1}=\left(\dfrac{p-\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-1}\left(a_2+\dfrac{-p-\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right)

两式相减得:

\sqrt{p^2+4q}a_n=\left(\dfrac{p+\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-1}\left(a_2+\dfrac{-p+\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right)-\left(\dfrac{p-\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-1}\left(a_2+\dfrac{-p-\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right)

a_n=\dfrac{\left(\dfrac{p+\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-1}\left(a_2+\dfrac{-p+\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right)-\left(\dfrac{p-\sqrt{p^2+4q}}{2}\right)^{n-1}\left(a_2+\dfrac{-p-\sqrt{p^2+4q}}{2}a_1\right)}{\sqrt{p^2+4q}}

斐波那契数列的特征为:a1=1, a2=1, p=1, q=1,代入上式可得通项公式为:

a_{n}=\frac{\sqrt{5}}{5} \cdot \left[\left(\frac{1 + \sqrt{5}}{2}\right)^{n} - \left(\frac{1 - \sqrt{5}}{2}\right)^{n}\right]

卢卡斯数列的特征为:a1=1, a2=3, p=1, q=1,代入上式可得通项公式为:

a_{n}=\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)^{n}+\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)^{n}

当p2 + 4q = 0,解得:

\begin{cases}\alpha=-\dfrac{p}{2} \\ \beta=\dfrac{p}{2}\end{cases}

T_n=a_n+\alpha a_{n-1}

T_n=\beta T_{n-1}

T_n=\beta^{n-2}T_2

a_n-\frac{p}{2}a_{n-1}=\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

a_{n-1}-\frac{p}{2}a_{n-2}=\left(\frac{p}{2}\right)^{n-3}\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

……

a_2-\frac{p}{2}a_1=\left(\frac{p}{2}\right)^0\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

将上述n-1个式子两边分别乘以1, \frac{p}{2}\left(\frac{p}{2}\right)^2, ... , \left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}

a_n-\frac{p}{2}a_{n-1}=\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

\frac{p}{2}a_{n-1}-\left(\frac{p}{2}\right)^2a_{n-2}=\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

\left(\frac{p}{2}\right)^2a_{n-2}-\left(\frac{p}{2}\right)^3a_{n-3}=\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

……

\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}a_2-\left(\frac{p}{2}\right)^{n-1}a_1=\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

再相加,得:

a_n-\left(\frac{p}{2}\right)^{n-1}a_1=\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}\left(a_2-\frac{p}{2}a_1\right)

a_n=\left(n-1\right)\left(\frac{p}{2}\right)^{n-2}a_2-\left(n-2\right)\left(\frac{p}{2}\right)^{n-1}a_1

自然数数列的特征为:a1=1, a2=2, p=2, q=-1,代入上式可得通项公式为:

an=n

性质

  • (f(n))^2=f(n-1)*f(n+1)+(-1)^(n+1)  (n≥2)
  • (f(m+n))^2-(f(m-n))^2=f(2m)*f(2n)  (m>n≥1)
  • f(n-1)*f(n+2)-f(n)*f(n+1)=(-1)^n  (n≥2)

一些有关斐波那契数列的Online Judge的题目参见:http://www.cnblogs.com/Knuth/archive/2009/09/04/1559951.html

参见

http://zh.wikipedia.org/wiki/斐波那契数列
http://baike.baidu.com/view/816.htm
http://science.scileaf.com/library/763
http://bbs.tianya.cn/post-666-20190-1.shtml
http://www.hytc.cn/xsjl/szh/lec5.pdf

posted @ 2013-12-18 16:06  客家岸田  阅读(1453)  评论(0编辑  收藏  举报
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