神奇的斐波那契公式 | orlp.net

主要观点:通过一个特定的 Python 函数计算斐波那契数列,无需循环、递归或浮点数运算,利用生成函数和一些数学推导得出相关公式。
关键信息:

  • 定义斐波那契数列的递推公式,如$f(0)=0$,$f(1)=1$,$f(n)=f(n - 1)+f(n - 2)$。
  • 引入生成函数$F(x)=\sum_{n=0}^{\infty}f(n)x^n$,通过一系列推导得出$F(x)=\frac{x}{1 - x - x^2}$。
  • 求解$1 - x - x^2 = 0$的根为$-\frac{\sqrt{5} \pm 1}{2}$,即黄金比例$\phi$和其倒数$\phi^{-1}$,对$F(x)$进行部分分式分解得到$F(x)=\frac{1}{\sqrt{5}}(\sum_{n=0}^{\infty}\phi^nx^n-\sum_{n=0}^{\infty}{(-\phi})^{-n}x^n)$,进而得出$f(n)=\frac{1}{\sqrt{5}}(\phi^n-{(-\phi})^{-n})$。
  • 为避免浮点数运算导致的问题,通过选择合适的基数$b$(如$b = 3^n$或$b = 2^{n+1}$),得到不使用浮点数运算的封闭形式公式$f(n)=\lfloor\frac{b^{n+1}}{b^2 - b - 1}\rfloor\bmod b$,并给出相应的 Python 代码示例。
    重要细节:
  • 在推导过程中,通过代入和变形等操作,将生成函数与斐波那契数列的系数联系起来。
  • 对部分分式分解的过程进行了说明,但强调通过展开验证等式更简单。
  • 指出在计算过程中要注意数字溢出的问题,通过选择合适的基数来避免。
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