斐波那契数列取模(大数)分治算法
2013-04-01 17:03
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斐波那契数列取模(大数)分治算法
这是算法课程上完分之策略后老师留的一道题目:
菲波那契数列如下:1,1,2,3,5,8,13,21,34......其中a[1] = 1, a[2] = 1, a
=a[n-1]+a[n-2](n>=3)。对给定的下标n,求解a
%1997的值.
其中测试数据n是整数范围内。
这个题目,主要是用到很关键的一个数学知识,斐波那契数列的求法,可以转换为矩阵的连乘,矩阵的n此方算法又可以用分治的算法。
而且又有理论依据:(n*m)%c=[ (n%c)*(m%c) ]%c ; (n+m)%c=[ (n%c)+(m%c) ]%c ,所以过程中的结果可以随时取模,而不影响最终的结果
关于斐波那契数列的矩阵连乘求法如下:
我们知道我们若要简单计算f(n),有一种方法就是先保存
a=f(0),b=f(1),然后每次设:
a'=b b'=a+b
并用新的a'和b'来继续这一运算
如果大家熟悉利用“矩阵”这一工具的话,就知道,如果把a、b写成一个向量[a,b],完成上述操作相当于乘以矩阵
0 1
1 1
也就是说,如果我们要求第100个fibonacci数,只需要将矩阵
[0,1]乘上
0 1
1 1
的一百次方,再取出第一项
因为我们知道,矩阵运算满足结合律,一次次右乘那个矩阵完全可以用乘上那个矩阵的N次方代替,更进一步,那个矩阵的N次方就是这样的形式:
f(n-1) f(n)
f(n) f(n+1)
而求矩阵的N次方,由于矩阵乘法满足结合律,所以我们可以用log(N)的算法求出——这个算法大家都会么?
一个是二分,一个是基于二进制的求幂
二分的原理:要求矩阵的N次方A(N),设i=N/2若N%2==1, 则 A(N)=A(i)*A(i)*A(1)若N%2==0, 则 A(N)=A(i)*A(i)
基于二进制的原理:将N拆为二进制数,譬如13=1101那么 A^13= A^8 * A^4 * A^1 (这里^表示幂运算)
也就是说,由A^1开始,自乘得到A^2,然后自乘得到A^4,如果N对应位为1,则将这个结果乘到目标上去
这样的话,将所有乘法改为模乘,就可以得到一个较大Fibonacci数除以M的余数
若不用递归,其实类似
实现代码:
这是算法课程上完分之策略后老师留的一道题目:
菲波那契数列如下:1,1,2,3,5,8,13,21,34......其中a[1] = 1, a[2] = 1, a
=a[n-1]+a[n-2](n>=3)。对给定的下标n,求解a
%1997的值.
其中测试数据n是整数范围内。
这个题目,主要是用到很关键的一个数学知识,斐波那契数列的求法,可以转换为矩阵的连乘,矩阵的n此方算法又可以用分治的算法。
而且又有理论依据:(n*m)%c=[ (n%c)*(m%c) ]%c ; (n+m)%c=[ (n%c)+(m%c) ]%c ,所以过程中的结果可以随时取模,而不影响最终的结果
关于斐波那契数列的矩阵连乘求法如下:
我们知道我们若要简单计算f(n),有一种方法就是先保存
a=f(0),b=f(1),然后每次设:
a'=b b'=a+b
并用新的a'和b'来继续这一运算
如果大家熟悉利用“矩阵”这一工具的话,就知道,如果把a、b写成一个向量[a,b],完成上述操作相当于乘以矩阵
0 1
1 1
也就是说,如果我们要求第100个fibonacci数,只需要将矩阵
[0,1]乘上
0 1
1 1
的一百次方,再取出第一项
因为我们知道,矩阵运算满足结合律,一次次右乘那个矩阵完全可以用乘上那个矩阵的N次方代替,更进一步,那个矩阵的N次方就是这样的形式:
f(n-1) f(n)
f(n) f(n+1)
而求矩阵的N次方,由于矩阵乘法满足结合律,所以我们可以用log(N)的算法求出——这个算法大家都会么?
一个是二分,一个是基于二进制的求幂
二分的原理:要求矩阵的N次方A(N),设i=N/2若N%2==1, 则 A(N)=A(i)*A(i)*A(1)若N%2==0, 则 A(N)=A(i)*A(i)
基于二进制的原理:将N拆为二进制数,譬如13=1101那么 A^13= A^8 * A^4 * A^1 (这里^表示幂运算)
也就是说,由A^1开始,自乘得到A^2,然后自乘得到A^4,如果N对应位为1,则将这个结果乘到目标上去
这样的话,将所有乘法改为模乘,就可以得到一个较大Fibonacci数除以M的余数
若不用递归,其实类似
实现代码:
#include<iostream> using namespace std; // f(n)=f(i)*f(n-i-1)+f(i+1)*f(n-i) int tempA,tempB,tempC,tempD; void func(int n,int &a,int &b,int &c,int &d){ if(n==1){ a=0; b=c=d=1; return ; } if(n%2==0){ func(n/2,a,b,c,d); tempA=a*a+b*c; tempB=b*(a+d); tempC=c*(a+d); tempD=c*b+d*d; a=tempA%1997; b=tempB%1997; c=tempC%1997; d=tempD%1997; return; } else{ func(n/2,a,b,c,d); tempA=b*(a+d); tempB=a*a+b*(a+c+d); tempC=c*b+d*d; tempD=c*(a+b+d)+d*d; a=tempA%1997; b=tempB%1997; c=tempC%1997; d=tempD%1997; return; } } int main(){ int n; while(cin>>n&&n!=0){ int a,b,c,d; if(n<=2){ cout<<1<<endl; continue; } else n-=2; func(n,a,b,c,d); cout<<(b+d)%1997<<endl; } return 0; }
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