斐波那契数列优化矩阵求法实例

2020-01-26 16:20:29

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供稿：网友

　　在做编程题目的时候经常会遇到“斐波那契数列”相关的题目，尤其在做OJ中。下面说一些方法：

　　(一)递归

　　递归是最慢的会发生重复计算，时间复杂度成指数级。

long long fac(int n)
{
　　if(n==1) 　　return 1;
　　else if(n==2)  　return 2;
　　else   　return fac(n-1)+fac(n-2);
}

　(二)循环

　　利用临时变量来保存中间的计算过程，加快运算。

复制代码代码如下:

long long fac(int n)
{
    long long a=1,b=2,c;
    if(n==1)    return 1;
    else if(n==2)   return 2;
    else
    {
        for(int i=3;i<=n;i++)
        {
            c=a+b; 　　a=b; 　　b=c;
        }
    }
    return b;
}

　　(三)矩阵乘法+空间换时间(减少乘法，取模运算)

　　数列的递推公式为：f(1)=1，f(2)=2，f(n)=f(n-1)+f(n-2)(n>=3)

　　用矩阵表示为：

进一步，可以得出直接推导公式：

　　由于矩阵乘法满足结合律，在程序中可以事先给定矩阵的64，32，16，8，4，2，1次方，加快程序的执行时间。（有些题目需要取模运算，也可以事先进行一下）。给定的矩阵次幂，与二进制有关是因为，如下的公式存在解，满足Xi={0或1}：

为了保证解满足 Xi={0或1}，对上述公式的求解从右向左，即求解顺序为Xn，Xn-1,Xn-2,....,X1,X0。

　　完整代码实现如下：

复制代码代码如下:

///求解fac(n)%100000，其中n为大于等于3的正整数
#include<stdio.h>
#include<math.h>
long long fac_tmp[6][4]={   ///存放矩阵次幂
                    ///位置：00 01 10 11
                   {24578,78309,78309,46269},   ///32次幂%100000
                   {1597,987,987,610}, ///16次幂%100000
                   {34,21,21,13},   ///8次幂%100000
                   {5,3,3,2},   ///4次幂%100000
                   {2,1,1,1},   ///2次幂%100000
                   {1,1,1,0},   ///1次幂%100000
                   };
void fac(int);

int main()
{
    int n;
    scanf("%d",&n);
    fac(n);
    return 1;
}

void fac(int k) ///k>=3
{
    int i;
    long long t00=1,t01=1,t10=1,t11=0; ///表示矩阵的1次幂
    long long a,b,c,d;
    k=k-3; ///公式中是n-2次幂，(t00,t01,t10,t11)表示1次幂。所以一共减3次
    for(i=k;i>=32;i=i-32)   ///对于大于等于32的k;
    {
        a=(t00*fac_tmp[0][0]+t01*fac_tmp[0][2])%100000;
        b=(t00*fac_tmp[0][1]+t01*fac_tmp[0][3])%100000;
        c=(t10*fac_tmp[0][0]+t11*fac_tmp[0][2])%100000;
        d=(t10*fac_tmp[0][1]+t11*fac_tmp[0][3])%100000;
        t00=a; t01=b; t10=c;t11=d;
    }

    i=4;
    while(i>=0)    ///对于小于32的k(16,8,4,2,1);
    {
        if(k>=(long long)pow(2,i)) ///如果k大于某一个2的次幂
        {

            a=(t00*fac_tmp[5-i][0]+t01*fac_tmp[5-i][2])%100000; ///(5-i)：矩阵的2的i次幂在数组fac_tmp中的位置为fac_tmp[5-i]
            b=(t00*fac_tmp[5-i][1]+t01*fac_tmp[5-i][3])%100000;
            c=(t10*fac_tmp[5-i][0]+t11*fac_tmp[5-i][2])%100000;
            d=(t10*fac_tmp[5-i][1]+t11*fac_tmp[5-i][3])%100000;
            t00=a; t01=b; t10=c;t11=d;
            k=k-(int)pow(2,i);
        }
        i--;
    }

a=(t00*2+t01*1)%100000;
printf("%lld/n",a);
}

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