根据高德纳(Donald Ervin Knuth)的《计算机程序设计艺术》(The Art of Computer Programming),
1150年印度数学家Gopala和金月在研究箱子包装物件长宽刚好为1和2的可行方法数目时,首先描述这个数列。
在西方,最先研究这个数列的人是比萨的列奥那多(意大利人斐波那契Leonardo Fibonacci),
他描述兔子生长的数目时用上了这数列:
第一个月初有一对刚诞生的兔子
第二个月之后(第三个月初)它们可以生育
每月每对可生育的兔子会诞生下一对新兔子
兔子永不死去
假设在n月有兔子总共a对,n+1月总共有b对。在n+2月必定总共有a+b对:
因为在n+2月的时候,前一月(n+1月)的b对兔子可以存留至第n+2月(在当月属于新诞生的兔子尚不能生育)。而新生育出的兔子对数等于所有在n月就已存在的a对
费波那契数列由0和1开始,之后的费波那契系数就是由之前的两数相加而得出:
0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233……
如果用数学语言来描述大概是下面这个样子:
$$F_0 = 0$$
$$F_1 = 1$$
$$F_n = F_(n-1) + F_(n-2)$$
递归求解
学过编程的人,第一反应肯定是用递归求解:
def fib(n):
assert n >= 0, 'input invalid'
return n if n<=1 else fib(n-1) + fib(n-2)
function fib(n) {
return n <= 1 ? n : fib(n - 1) + fib(n - 2);
}
递归的好处就是代码清晰明了,写起来干净利索,丝毫没有拖泥带水的感觉
这种递归求解的方法的过程可以简化为如下图所示的二叉树:
总的计算量近似可以等于高度为n-1的二叉树的节点总数,所以它的时间复杂度为O(2^n)
下面是我统计不同语言用递归算法求解斐波那契数列第41项所需的时间:
ps:这里直接用的系统自带的
time
命令来统计的运行时间等信息
为什么不建议使用递归来求解
由于龟叔认为程序员根本用不到递归,所以一直拒绝为python加上尾递归优化,甚至当递归深度超过1000时,直接抛出RuntimeError: maximum recursion depth exceeded
具体内容请参见:Tail Recursion Elimination
那篇09年的博客里是这样说的:
我不认为递归是编程的基础。递归是一些计算机科学家们,尤其是那些热爱Scheme (lisp的一支)和喜欢用‘cons’ 来教表头表尾和递归的人们。
但是对我(Guido)来说,递归只是一些为基础数学研究而存在的理论手段(例如分形几何学),而不是日常的编程工具。
Python的哲学是“做一件事情有且只有一种方法”(There should be one-- and preferably only one --obvious way to do it.)
龟叔坚持不给Python加上尾递归的优化恰恰体现了这种哲学,这个设计哲学不仅减轻了人们在开发时的认知负担和选择成本,对于提高开发效率是很有帮助的。
同时,这个特点使得不同的人用Python写出来的代码不至于相差很大,这对于团队合作也是很有用的。
递归转化为非递归求解
所以我们的斐波那契数列当然不能直接用递归求解啦,比较常见的思路是把递归改为递推,把斐波那契的前两项先初始化为数组,
然后根据f(n) = f(n-1) + f(n-2)
用循环一次算出后面的每一项,这种算法的时间复杂度为O(n)。
我在我的电脑上测了一下,下面这段代码求第41项只用了0.02秒。
def fast_fib(n):
f = [0, 1]
for i in range(2, n+1):
f.append(f[i-1] + f[i-2])
return f[n]
比较一下递归法和递推法:<br/>
二者都用了分治的思想——把目标问题拆为若干个小问题,利用小问题的解得到目标问题的解。
二者的区别实际上就是普通分治算法和动态规划的区别。
问题结束了吗
其实还有一个更加巧妙的办法(利用通项公式求解除外)
我们先把斐波那契数列中相邻的两项:F(n)和F(n - 1)写成一个2x1的矩阵,然后对其进行变形:
继续推导可以得到:
利用矩阵来运算的话,整个算法的时间复杂度是O(log n),空间复杂度是O(1)
斐波那契数列通项公式的推导也是个很有意思的题目,可以利用生成函数来推导,这里就不展开了
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