标签：
斐波拉契数列：波那契数列，又称黄金分割数列，指的是这样一个数列：0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、……在数学上，斐波纳契数列以如下被以递归的方法定义：F（0）=0，F（1）=1，F（n）=F(n-1)+F(n-2)（n≥2，n∈N*）［from 百度百科 http://baike.baidu.com/link?url=8LKtKTAllUGDMe610zIO0DAjS3CCeAOpXiCFvH_Y47_I_XDRgzyGcrzsodd1OHO726FJNPWkqzkQC7PIuGu_I_］
问题1：
对于斐波拉契经典问题，我们都非常熟悉，通过递推公式F(n) = F(n - 1) + F(n - 2)，我们可以在线性时间内求出第n项F(n)，现在考虑斐波拉契的加强版，我们要求的项数n的范围为int范围内的非负整数，请设计一个高效算法，计算第n项F(n)。第一个斐波拉契数为F(0) = 1。给定一个非负整数，请返回斐波拉契数列的第n项，为了防止溢出，请将结果Mod 1000000007。［from牛客网 ］
方法1：
最基础的方法是最简单的递归，会产生大量的重复运算，时间复杂度太大，不予推荐。
方法2:
经过推导发现:
当n为偶数时 F(n) = F(n/2)^2 + F(n/2 - 1)^2
当n为奇数时 F(n) = F(n/2)^2 + 2＊F(n/2)＊F(n/2 - 1)
由此可采用：
int Fibonacci(int n)
{
long i, j;
if (n == 0 || n == 1)
return 1;
i = Fibonacci(n/2);
j = Fibonacci(n/2 - 1);
if (n%2 == 0)
return (i*i + j*j)%1000000007;
else
return (2*i*j+ i*i)%1000000007;
}
此算法类似与二分查找，假如方法1的时间复杂度为N，方法2的时间复杂度可能为log2 N（此处不确定）
虽然这种方法有所改善，但是仍不理想，重复计算过多。
注：此方法的i＊i部分是大整数之间的乘法，数量巨大，消耗大量时间。
方法3：
斐波拉契经典问题还可以通过矩阵的方法（具体方法此处不列举）来解，有方法2相比，算是一种空间换时间的折中。
由于斐波拉契矩阵大致为a［2］［2］=｛1，1，1，0｝，矩阵大整数间的运算有所减少，相比方法2也是一种提升。
对于n为偶数或为奇数的问题：
为避免大整数间乘法，根据矩阵乘法规律：
当m为偶数时：arr(m／2, a);， 再求矩阵a＊a
当m为奇数时：arr(m／2, a)；，再求矩阵a*a＊｛1 ， 1， 1， 0｝
/*
矩阵处理函数
*/
void arr(int m, long long (*d)[2])
{
long long a[2][2];
long long e[2][2];
long long c[2][2] = {1, 1, 1, 0};
if (m == 1) {
d[0][0] = 1;
d[0][1] = 1;
d[1][0] = 1;
d[1][1] = 0;
return;
}
arr(m/2, a);
e[0][0] = (a[0][0]*a[0][0] + a[0][1]*a[1][0])%1000000007;
e[0][1] = (a[0][0]*a[0][1] + a[0][1]*a[1][1])%1000000007;
e[1][0] = (a[1][0]*a[0][0] + a[1][1]*a[1][0])%1000000007;
e[1][1] = (a[1][0]*a[0][1] + a[1][1]*a[1][1])%1000000007;
if (m%2 != 0) {
d[0][0] = (e[0][0]*c[0][0] + e[0][1]*c[1][0])%1000000007;
d[0][1] = (e[0][0]*c[0][1] + e[0][1]*c[1][1])%1000000007;
d[1][0] = (e[1][0]*c[0][0] + e[1][1]*c[1][0])%1000000007;
d[1][1] = (e[1][0]*c[0][1] + e[1][1]*c[1][1])%1000000007;
}
else {
d[0][0] = e[0][0];
d[0][1] = e[0][1];
d[1][0] = e[1][0];
d[1][1] = e[1][1];
}
}
/*
调用函数
*/
int Fibonacci(int n) {
// write code here
long long b[2][2] = {1, 1, 1, 0};
if (n == 0 || n == 1)
return 1;
arr(n - 1, b);
return (b[0][0] + b[0][1])%1000000007;
}
问题2：
现在有一栋高楼，但是电梯却出了故障，无奈的你只能走楼梯上楼，根据你的腿长，你一次能走1级或2级楼梯，已知你要走n级楼梯才能走到你的目的楼层，请计算你走到目的楼层的方案数，由于楼很高，所以n的范围为int范围内的正整数。
给定楼梯总数n，请返回方案数。为了防止溢出，请返回结果Mod 1000000007的值。[from 牛客网 ]
分析：
一个人一次只能走一个台阶，或者两个台阶。那么到台阶N总共有两种大方式，从N-1上来(N-1 > 0)，从N-2(N-2 > 0)上来。那么到达台阶N的方式即到达N-1的方式加上到达N-2的方式，即F(n) = F(n-1) + F(n-2)。那么该问题即是斐波拉契数列问题，方法完全一样。
问题3：
在农场中，奶牛家族是一个非常庞大的家族，对于家族中的母牛，从它出生那年算起，第三年便能成熟，成熟的母牛每年可以生出一只小母牛。即母牛从出生 开始的第三年便能做妈妈。最开始农场只有一只母牛，它从第二年开始生小母牛。请设计一个高效算法，返回第n年的母牛总数，已知n的范围为int范围内的正 整数。
给定一个正整数n，请返回第n年的母牛总数，为了防止溢出，请将结果Mod 1000000007。[from 牛客网 ]
分析：
奶牛分为成熟和未成熟两种，成熟每年产子一枚，未成熟需三年成熟后才能产子。
将奶牛分为三类，成熟，出生一年，出生两年
第N年奶牛总数的 = 三种奶牛数想加
第N年 成熟的奶牛 = 第N-1年成熟的奶牛 + 第N-1年出生两年的奶牛
第N年 出生一年的奶牛 = 第N-1年成熟的奶牛
第N年 出生两年的奶牛 = 第N-1年出生一年的奶牛 = 第N-2年成熟的奶牛
那么：
全用成熟的奶牛代替出生一年或两年的奶牛：
第N年 成熟的奶牛 = 第N-1年成熟的奶牛 + 第N-3年成熟的奶牛
F(n) = F(n-1) + F(n-3)
第N年 出生一年的奶牛 = 第N-1年成熟的奶牛
第N年 出生两年的奶牛 = 第N-2年成熟的奶牛
第N年 奶牛总数 = 第N年成熟 + 第N-1年成熟的奶牛 + 第N-2年成熟的奶牛
此时得到了，奶牛总数和成熟奶牛之间的关系
由矩阵乘法得
1 0 1 F(n-1) F(n-1) + F(n-3) F(n)
1 0 0 X F(n-2) = F(n-1) = F(n-1)
0 1 0 F(n-3) F(n-2) F(n-2)
此时，经过矩阵乘法，F(n) 里的n顺利向后递增，则矩阵可满足此算法，最后的奶牛总数为：F(n) + F(n - 1) + F(n - 2)
此算法采用3＊3矩阵，其他与问题2相似：
void arr(int m, long long (*d)[3])
{
long long a[3][3];
long long e[3][3];
long long c[3][3] = {1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0};
if (m == 1) {
d[0][0] = 1;
d[0][1] = 0;
d[0][2] = 1;
d[1][0] = 1;
d[1][1] = 0;
d[1][2] = 0;
d[2][0] = 0;
d[2][1] = 1;
d[2][2] = 0;
return;
}
arr(m/2, a);
e[0][0] = (a[0][0]*a[0][0] + a[0][1]*a[1][0] + a[0][2]*a[2][0])%1000000007;
e[0][1] = (a[0][0]*a[0][1] + a[0][1]*a[1][1] + a[0][2]*a[2][1])%1000000007;
e[0][2] = (a[0][0]*a[0][2] + a[0][1]*a[1][2] + a[0][2]*a[2][2])%1000000007;
e[1][0] = (a[1][0]*a[0][0] + a[1][1]*a[1][0] + a[1][2]*a[2][0])%1000000007;
e[1][1] = (a[1][0]*a[0][1] + a[1][1]*a[1][1] + a[1][2]*a[2][1])%1000000007;
e[1][2] = (a[1][0]*a[0][2] + a[1][1]*a[1][2] + a[1][2]*a[2][2])%1000000007;
e[2][0] = (a[2][0]*a[0][0] + a[2][1]*a[1][0] + a[2][2]*a[2][0])%1000000007;
e[2][1] = (a[2][0]*a[0][1] + a[2][1]*a[1][1] + a[2][2]*a[2][1])%1000000007;
e[2][2] = (a[2][0]*a[0][2] + a[2][1]*a[1][2] + a[2][2]*a[2][2])%1000000007;
if (m%2 != 0) {
d[0][0] = (e[0][0]*c[0][0] + e[0][1]*c[1][0] + e[0][2]*c[2][0])%1000000007;
d[0][1] = (e[0][0]*c[0][1] + e[0][1]*c[1][1] + e[0][2]*c[2][1])%1000000007;
d[0][2] = (e[0][0]*c[0][2] + e[0][1]*c[1][2] + e[0][2]*c[2][2])%1000000007;
d[1][0] = (e[1][0]*c[0][0] + e[1][1]*c[1][0] + e[1][2]*c[2][0])%1000000007;
d[1][1] = (e[1][0]*c[0][1] + e[1][1]*c[1][1] + e[1][2]*c[2][1])%1000000007;
d[1][2] = (e[1][0]*c[0][2] + e[1][1]*c[1][2] + e[1][2]*c[2][2])%1000000007;
d[2][0] = (e[2][0]*c[0][0] + e[2][1]*c[1][0] + e[2][2]*c[2][0])%1000000007;
d[2][1] = (e[2][0]*c[0][1] + e[2][1]*c[1][1] + e[2][2]*c[2][1])%1000000007;
d[2][2] = (e[2][0]*c[0][2] + e[2][1]*c[1][2] + e[2][2]*c[2][2])%1000000007;
}
else {
d[0][0] = e[0][0];
d[0][1] = e[0][1];
d[0][2] = e[0][2];
d[1][0] = e[1][0];
d[1][1] = e[1][1];
d[1][2] = e[1][2];
d[2][0] = e[2][0];
d[2][1] = e[2][1];
d[2][2] = e[2][2];
}
}
int countSum(int n) {
// write code here
long long b[3][3] = {1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0};
int e[3] = {1, 1, 1}; //F(3) F(2) F(1)
long long f[3];
//前三个为满足条件直接输出
if (n == 1)
return 1;
if (n == 2)
return 2;
if (n == 3 )
return 3;
arr(n - 3 , b);
f[0] = b[0][0]*e[0] + b[0][1]*e[1] + b[0][2]*e[2];
f[1] = b[1][0]*e[0] + b[1][1]*e[1] + b[1][2]*e[2];
f[2] = b[2][0]*e[0] + b[2][1]*e[1] + b[2][2]*e[2];
return (f[0] + f[1] + f[2]) %1000000007;
}
总结：
奶牛问题与楼梯问题看似关系不大，最后都能转化为矩阵解法
矩阵能很好的简化多余运算，实现空间转时间。
标签：
原文地址：http://my.oschina.net/u/2313065/blog/486032
