斐波那契数列介绍

斐波那契数列(Fibonacci sequence)指的是这样一个数列:0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144、……

在数学上,斐波那契数列的方法定义:

f(0) = 0 f(1) = 1 f(n) = f(n - 1) f(n - 2)(n ≥ 2)

这个数列从第3项开始,每一项都等于前两项之和。

方法1:递归

递归实现:

int fRecursion(int n){ if (n == 0) return 0; if (n == 1) return 1; return fRecursion(n - 1) fRecursion(n - 2); }

时间复杂度: O(2ⁿ)

我们用下面的递归调用树来理解递归实现的时间复杂度:

斐波那契数列计算公式(斐波那契数列算法)(1)

图1

因为每个节点在递归调用之外的工作时间为O(1), 所以运行时间等于调用的次数,即树中节点的总数。

这棵树有多少节点呢?假设我们要计算f(n), 根据图1我们可以知道树的深度为(n - 1)。

如果这是一棵完全二叉树,则树的总节点数为(2ⁿ-1),因此时间复杂度为O(2ⁿ)。

通过观察图1,我们可以看到右子树节点数总是比左子树节点数少,因此这棵树的总节点数比同样深度的完全二叉树少(真实运行时间接近O(1.6ⁿ))。因为O(2ⁿ)描述的是运行时间的上界,我们可以简单地说递归实现的时间复杂度为 O(2ⁿ)。

方法2:自上而下的动态规划

通过观察图1,我们可以看到很多重复的节点。其中f(3)出现了2次,f(2)出现了3次。为什么要重复地计算f(3), f(2)......? 如果我们把计算过的f(i)的值缓存起来,下次遇到计算过的值直接从缓存里取。递归过程如下图(灰色圆圈的值从缓存取):

斐波那契数列计算公式(斐波那契数列算法)(2)

图2

根据图2,我们可以看到f(n)的调用次数不超过O(n)。

自上而下的动态规划实现:

int fDynamicUpDown(int n){ return fDynamicUpDown(n, new int[n 1]); } int fDynamicUpDown(int i, int[] num) { if (i == 0) return 0; if (i == 1) return 1; if(num[i] == 0){ num[i] = fDynamicUpDown(i - 1, num) fDynamicUpDown(i - 2, num); } return num[i]; }

时间复杂度: O(n)

方法3:自下而上的动态规划

从已知条件中已经知道f(1)和f(0)的值,通过利用f(1)和f(0)的值,我们可以计算出f(2)的值。接着我们可以根据已知的值计算出f(3)、f(4)......

自下而上的动态规划实现:

int fDynamicDownUp(int n){ if (n == 0) return 0; if (n == 1) return 1; int[] num = new int[n]; num[0] = 0; num[1] = 1; for (int i = 2; i < n; i ) { num[i] = num[i-1] num[i-2]; } return num[n-1] num[n-2]; }

时间复杂度: O(n)

空间复杂度: O(n)

方法4:空间优化方法3

观察方法3,你会发现num[i]只会被使用2次:

num[i 1] = num[i] num[i-1]

num[i 2] = num[i 1] num[i]

我们可以用变量来存储中间值,不需要使用额外的num数组来存储中间值。

空间优化方法实现:

int fDynamicSpaceOpt(int n){ if (n == 0) return 0; if (n == 1) return 1; int a = 0, b= 1; for (int i = 2; i < n; i ) { int c = a b; a = b; b = c; } return a b; }

时间复杂度: O(n)

空间复杂度: O(1)

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