斐波那契数列介绍及Python中五种方法斐波那契数列 - Go语言中文社区

斐波那契数列介绍及Python中五种方法斐波那契数列


Q:斐波那契数列为什么那么重要,所有关于数学的书几乎都会提到?
A:因为斐波那契数列在数学和生活以及自然界中都非常有用。

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1. 斐波那契数列 概念引入

斐波那契数列(Fibonacci sequence),又称黄金分割数列,因数学家列昂纳多·斐波那契(Leonardoda Fibonacci)以兔子繁殖为例子而引入,故又称为“兔子数列”。

数学上,斐波那契数列以递归的形式进行定义:
F0=0F1=1Fn=Fn1+Fn2F_{0} = 0\ F_{1} = 1\ F_{n} = F_{n-1} + F_{n-2}

场景

先来开看看“兔子数列”以及其他数学应用场景!!

1. 1 兔子数列

一般而言,兔子在出生两个月后,就有繁殖能力,一对兔子每个月能生出一对小兔子来。如果所有兔子都不死,那么一年以后可以繁殖多少对兔子?

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1.2 排列组合

有一段楼梯有10级台阶,规定每一步只能跨一级或两级,要登上第10级台阶有几种不同的走法?

更多数学方面知识,请戳:
斐波那契数列

斐波那契数列为什么那么重要,所有关于数学的书几乎都会提到?

2. 数列数学方法解答

2.1 兔子繁殖问题

斐波那契数列又因数学家列昂纳多·斐波那契以兔子繁殖为例子而引入,故又称为“兔子数列”。

一般而言,兔子在出生两个月后,就有繁殖能力,一对兔子每个月能生出一对小兔子来。如果所有兔子都不死,那么一年以后可以繁殖多少对兔子?

我们不妨拿新出生的一对小兔子分析一下:

第一个月小兔子没有繁殖能力,所以还是一对

两个月后,生下一对小兔对数共有两对

三个月以后,老兔子又生下一对,因为小兔子还没有繁殖能力,所以一共是三对

------

依次类推可以列出下表:

经过月数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
幼仔对数 1 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55
成兔对数 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89
总体对数 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144

幼仔对数=前月成兔对数

成兔对数=前月成兔对数+前月幼仔对数

总体对数=本月成兔对数+本月幼仔对数

可以看出幼仔对数、成兔对数、总体对数都构成了一个数列。这个数列有关十分明显的特点,那是:

前面相邻两项之和,构成了后一项。

2.2 排列组合
2.2.1 跨楼梯组合

有一段楼梯有10级台阶,规定每一步只能跨一级或两级,要登上第10级台阶有几种不同的走法?

这就是一个斐波那契数列:登上第一级台阶有一种登法;登上两级台阶,有两种登法;登上三级台阶,有三种登法;登上四级台阶,有五种登法……

1,2,3,5,8,13……所以,登上十级,有89种走法。

2.2.2 掷硬币不连续情形

一枚均匀的硬币掷10次,问不连续出现正面的可能情形有多少种?

答案是:
1/5)[(1+5)/2](10+2)[(15)/2](10+2)=144(1/√5)*{[(1+√5)/2]^(10+2) - [(1-√5)/2]^(10+2)}=144

3. Python代码实现斐波那契数列

时间复杂度

空间复杂度

通过时间复杂度空间复杂度评判代码的执行效率。

  • 例如:从规模上来说,如果需要计算F(4)的值,需要进行9次元素操作

    设T(n)为计算n的时间复杂度,那么
    T(n)=T(n1)+T(n2)+O(1)T(n) = T(n-1) + T(n-2)+O(1)

    粗略估算,Tn<O2nT(n) < O(2^n)

3.1 python特有写法

打印正整数n之内的斐波那契数列

# Python特有, 常规写法
def fib(self, n):
	a = 0
	b = 1
	while a <= n:
		print(a, end=" ", flush=True)
		a, b = b, a + b  # python不借助变量交换两数的值

fib(100)  # 求n之内的斐波那契数列

O(n)O(1)时间复杂度:O(n), 空间复杂度:O(1)

3.2 递归

打印斐波那契数列前10位数字

# 递归
def fibonacci(i):
    num_list = [0, 1]
    if i < 2:
        return num_list[i]
    elif i >= 2:
        return (fibonacci(i - 2) + fibonacci(i - 1))


print(fibonacci(10))

O(n)O(n)时间复杂度:O(n), 空间复杂度:O(n)

3.3 类对象
# 迭代的方式
class FibIterator(object):
    """斐波那契数列迭代器"""
    def __init__(self, n):
        """
        :param n: int, 指明生成数列的前n个数
        """
        self.n = n
        # current用来保存当前生成到数列中的第几个数了
        self.current = 0
        # num1用来保存前前一个数,初始值为数列中的第一个数0
        self.num1 = 0
        # num2用来保存前一个数,初始值为数列中的第二个数1
        self.num2 = 1

    def __next__(self):
        """被next()函数调用来获取下一个数"""
        if self.current < self.n:
            num = self.num1
            self.num1, self.num2 = self.num2, self.num1+self.num2
            self.current += 1
            return num
        else:
            raise StopIteration

    def __iter__(self):
        """迭代器的__iter__返回自身即可"""
        return self


if __name__ == '__main__':
    fib = FibIterator(10)
    for num in fib:
        print(num, end=" ")
3.4 矩阵解决问题

从定义开始:
F0=0F1=1Fn=Fn1+Fn2F_{0} = 0\ F_{1} = 1\ F_{n} = F_{n-1} + F_{n-2}

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