HDUoj 1568 Fibonacci ( 数学

本文介绍了一个快速求解Fibonacci数列中任意项前4位数字的方法,通过预处理和使用通项公式计算,解决了对于较大数值的求解问题,并附带AC代码。

Fibonacci

Description

2007年到来了。经过2006年一年的修炼,数学神童zouyu终于把0到100000000的Fibonacci数列
(f[0]=0,f[1]=1;f[i] = f[i-1]+f=2”>i-2)的值全部给背了下来。
接下来,CodeStar决定要考考他,于是每问他一个数字,他就要把答案说出来,不过有的数字太长了。所以规定超过4位的只要说出前4位就可以了,可是CodeStar自己又记不住。于是他决定编写一个程序来测验zouyu说的是否正确。

Input

输入若干数字n(0 <= n <= 100000000),每个数字一行。读到文件尾。

Output

输出f[n]的前4个数字(若不足4个数字,就全部输出)。

Sample Input

0
1
2
3
4
5
35
36
37
38
39
40

Sample Output

0
1
1
2
3
5
9227
1493
2415
3908
6324
1023

题解:

题是个挺有意思的题 以前在lijhtoj上写过一个思想非常类似的 见下图 不过还是在学长给出通项公式的基础下才写出来的TAT
(本来遇到这个题是在某个小oj上卡精度卡的恶心
//这里是前4位
这里写图片描述

AC代码

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int arr[40];
void init()
{
    arr[1] = 1, arr[2] = 1;
    for(int i = 3; i <= 40; i++) {
        arr[i] = arr[i-1] +arr[i-2];
        if(arr[i] > 9999) break;
    }
}
int main()
{
    init();
    int n;
    while(~scanf("%d",&n)) {
        if(n <= 20) {
            printf("%d\n",arr[n]); continue;
        }
        double zz = -0.5*log10(5.0) + 1.0*n*log10((1+sqrt(5.0))/2.0);
        double yy = pow(10.0,zz-(int)zz);
        printf("%d\n",(int)(yy*1000));

    }
return 0;
}
### Fibonacci算法的数学意义 Fibonacci算法基于斐波那契数列(Fibonacci sequence),其定义为: \[ F(n) = F(n-1) + F(n-2), \quad n > 1 \] 其中,初始条件为 \( F(0) = 0 \) 和 \( F(1) = 1 \)。该数列不仅在数学中具有深刻的理论意义,还在计算机科学、自然界和工程领域中有着广泛的应用。 #### 数学原理 斐波那契数列的核心数学原理在于递归关系式和线性代数的结合。通过矩阵形式表达斐波那契数列,可以显著提高计算效率。例如,使用矩阵快速幂的方法可以将时间复杂度从 \( O(2^n) \) 优化到 \( O(\log n) \)[^4]。具体实现如下: ```python def fibonacci_matrix(n): def matrix_multiply(A, B): return [[A[0][0]*B[0][0] + A[0][1]*B[1][0], A[0][0]*B[0][1] + A[0][1]*B[1][1]], [A[1][0]*B[0][0] + A[1][1]*B[1][0], A[1][0]*B[0][1] + A[1][1]*B[1][1]]] def matrix_power(M, p): if p == 1: return M elif p % 2 == 0: half = matrix_power(M, p // 2) return matrix_multiply(half, half) else: return matrix_multiply(M, matrix_power(M, p - 1)) if n == 0: return 0 elif n == 1: return 1 F = [[1, 1], [1, 0]] result = matrix_power(F, n - 1) return result[0][0] ``` 此外,斐波那契数列还与黄金分割比 \( \phi = \frac{1+\sqrt{5}}{2} \) 存在密切联系。数列的第 \( n \) 项可以通过以下闭式公式计算: \[ F(n) = \frac{\phi^n - (1-\phi)^n}{\sqrt{5}} \] 这种方法称为“Binet公式”,虽然理论上精确,但在实际编程中可能因浮点数精度问题导致误差[^4]。 #### 应用场景 1. **自然界中的应用**:斐波那契数列出现在植物生长模式、螺旋结构(如向日葵种子排列)以及动物种群增长模型中[^1]。 2. **计算机科学**:斐波那契堆(Fibonacci heap)是一种高效的数据结构,用于实现优先队列操作,常见于图算法(如最短路径算法 Dijkstra 和最小生成树算法 Prim)中[^5]。 3. **金融领域**:斐波那契回撤(Fibonacci Retracement)是技术分析中的一种工具,用于预测价格波动的趋势反转点[^4]。 4. **模运算相关问题**:在处理大数时,模运算常与斐波那契数列结合使用,以降低计算复杂度并避免溢出[^3]。 ### 记忆化优化 为了克服传统递归方法的重复计算问题,可以引入记忆化技术。通过缓存已经计算过的中间结果,避免冗余计算,从而显著提升性能[^5]。 ```python memo = {} def fibonacci_memo(n): if n in memo: return memo[n] if n == 0: result = 0 elif n == 1: result = 1 else: result = fibonacci_memo(n - 1) + fibonacci_memo(n - 2) memo[n] = result return result ```
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