欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页

斐波那契数列(二)--矩阵优化算法

程序员文章站 2024-03-19 20:27:46
...

之前写了一篇从斐波那契数列分析递归与动态规划(JAVA)来优化斐波那契数列,这样可以使算法的时间复杂度从O(n^2)变到O(n),这是使用递归公式f(n)=f(n-1)+f(n-2)求斐波那契数列的最优算法,但是这只是一维世界下的极限。下面我们将其从一维上升到二维,用二阶矩阵推导斐波那契数列,该算法的复杂度为O(logn)。

矩阵定义

一个m*n的矩阵是一个由m行n列元素排成的矩形阵列。矩阵里的元素可以是数字符号或者数学式.

下面是一个典型的二阶矩阵



                    斐波那契数列(二)--矩阵优化算法

二阶矩阵的乘法

         斐波那契数列(二)--矩阵优化算法


高效幂运算


斐波那契数列(二)--矩阵优化算法

第一种方法在高效幂运算(JAVA)中有类似的描述,虽然本文中是对矩阵进行幂运算,实质是一样的

第二种方法利用位运算转换成二进制处理

斐波那契数列的矩阵算法

斐波那契数列(二)--矩阵优化算法

import java.util.Scanner;

/**
 *  [F(n+1) F(n)]    [1  1 ]^n
    |           |   =|     |
    [F(n) F(n-1)]    [1  0 ]
 * */
public class Main {
    // 公式矩阵  
    private static final int[][] UNIT = {{1, 1}, {1, 0}};
    // 零矩阵  
    private static final int[][] ZERO = {{0, 0}, {0, 0}};

    public static void main(String[] args) {
        Scanner in = new Scanner(System.in);
        int n = in.nextInt();
        int[][] m = fb(n);
        System.out.println(m[0][1]);
    }
    
    /**
     * 利用二进制进行高效幂运算
     * 求斐波那契数列
     * */
    public static int[][] fb(int n) {
        if (n == 0) {
            return ZERO;
        }
        if (n == 1) {
            return UNIT;
        }
        if (n%2 == 0) {
            System.out.println(n >> 1);
            int[][] matrix = fb(n >> 1);

            return Multiply(matrix, matrix);
        } else {
            int[][] matrix = fb((n - 1) >> 1);
            return Multiply(Multiply(matrix, matrix), UNIT);
        }

    }
    
    /**
     * 矩阵乘法
     * */
    public static int[][] Multiply(int[][] m, int[][] n) {

        /**
         * 对于斐波那契数列来说,行和列都是2,这样写更易于理解,下面也给出了标准的矩阵乘法算法,是通用的
         * 用到此算法,除非进行算法学习和研究,否则一般都是进行较大数据的斐波那契求值,所以对结果取(10e9)+7的模
         * */
        int[][] r = new int[2][2];
        r[0][0] = (m[0][0]*n[0][0] + m[0][1]*n[1][0])%1000000007;
        r[0][1] = (m[0][0]*n[0][1] + m[0][1]*n[1][1])%1000000007;
        r[1][0] = (m[1][0]*n[0][0] + m[1][1]*n[1][0])%1000000007;
        r[1][1] = (m[1][0]*n[0][1] + m[1][1]*n[1][1])%1000000007;
        return r;
    }
}

标准矩阵乘法算法:

    public static int[][] Multiply(int[][] m, int[][] n) {
//        标准计算矩阵乘法算法
        int rows = m.length;
        int cols = n[0].length;
        int[][] r = new int[rows][cols];
        for (int i = 0; i < rows; i++) {
            for (int j = 0; j < cols; j++) {
                r[i][j] = 0;
                for (int k = 0; k < m[i].length; k++) {
                    r[i][j] += m[i][k] * n[k][j];
                }
            }
        }
        return r;
    }
}