在小島的一個(gè)海濱小鎮(zhèn)上,住著一個(gè)名叫蘇菲的女孩。蘇菲一家人靠海為生,她的生活簡單而樸素,與大自然和諧共生。每天,蘇菲都會(huì)來到海邊,欣賞那美麗的日出和日落,感受著大海的呼吸。
然而,小島的美麗風(fēng)光并非一成不變。每年夏季,熱帶氣旋活躍,臺風(fēng)頻繁登陸,給小島帶來了嚴(yán)重的危害。
有一天,蘇菲經(jīng)歷了一場猛烈的臺風(fēng)。臺風(fēng)帶來的狂風(fēng)暴雨席卷了整個(gè)小鎮(zhèn),樹木被連根拔起,房屋倒塌,街道一片狼藉。蘇菲的家也被摧毀了,她無家可歸,生活陷入了困境。
在臺風(fēng)的影響下,蘇菲失去了親人,她感到孤獨(dú)和無助。然而,她并沒有放棄,她決定勇敢面對生活的挑戰(zhàn)。
在臺風(fēng)過后,蘇菲積極參與災(zāi)后重建工作,幫助鄰居們重建家園。她用自己的雙手清理廢墟、種植樹木,為小鎮(zhèn)重新帶來了生機(jī)。
在成長過程中,她遇到了一個(gè)氣象專家,教會(huì)她一些數(shù)學(xué)知識。她決定要用自己的知識和力量去保護(hù)家園,減少自然災(zāi)害帶來的損失。
她對斐波那契數(shù)列有著濃厚的興趣,在閑暇時(shí)會(huì)用海灘上的貝殼擺出斐波那契數(shù)列的形狀。
有一天,蘇菲注意到一個(gè)有趣的現(xiàn)象:臺風(fēng)的路徑似乎與斐波那契數(shù)列有關(guān)。她開始研究臺風(fēng)的形成和運(yùn)動(dòng)原理,發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)的生命周期與斐波那契數(shù)列的規(guī)律有著奇妙的聯(lián)系。
為了更準(zhǔn)確地預(yù)測臺風(fēng),蘇菲需要處理大量的數(shù)據(jù),進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。然而,她意識到傳統(tǒng)的計(jì)算方法效率低下,無法滿足實(shí)時(shí)預(yù)測的需求。于是,她開始尋找更高效的計(jì)算方法。
在一次數(shù)學(xué)課程中,蘇菲學(xué)到了矩陣乘法的知識,她突然想到可以利用矩陣乘法來降低計(jì)算復(fù)雜度。她將臺風(fēng)的數(shù)據(jù)整理成矩陣形式,并利用矩陣乘法的快速冪算法來計(jì)算臺風(fēng)的運(yùn)動(dòng)軌跡和強(qiáng)度變化。
通過實(shí)踐,蘇菲發(fā)現(xiàn)利用矩陣乘法快速冪算法可以將計(jì)算復(fù)雜度降低到原來的十分之一以下,大大提高了計(jì)算效率。她將這種方法應(yīng)用于臺風(fēng)預(yù)測模型中,取得了顯著的成果。
蘇菲將她的發(fā)現(xiàn)告訴了她的老師,得到了贊賞和支持。氣象學(xué)家們將蘇菲的方法應(yīng)用于更廣泛的天氣預(yù)測中,取得了良好的效果。利用這一發(fā)現(xiàn),政府可以提前做好防災(zāi)減災(zāi)的準(zhǔn)備,減少臺風(fēng)帶來的損失。
斐波那契數(shù)列的遞推公式為:F(n) = F(n-1) + F(n-2),其中F(1) = 1,F(xiàn)(2) = 1。
以10為例,斐波那契數(shù)列的前10項(xiàng)為:
2 3 5 8 13 21 34 55
蘇菲面臨一個(gè)問題,當(dāng)n=2000000的時(shí)候,就算用超級計(jì)算機(jī)來計(jì)算也會(huì)超時(shí),等運(yùn)算完畢,臺風(fēng)已經(jīng)消失了,怎么處理這個(gè)問題呢?
算法實(shí)現(xiàn):
1 public static BigInteger fib(int n) 2 { 3 Console.WriteLine(n); // 打印輸入的參數(shù)n,用于調(diào)試 4 5 BigInteger semn = 1; // 定義一個(gè)BigInteger類型的變量semn,用于存儲(chǔ)符號 6 BigInteger t = 0; // 定義BigInteger類型的變量t,用于臨時(shí)存儲(chǔ)中間計(jì)算結(jié)果 7 BigInteger i = 1; // 定義BigInteger類型的變量i,初始化為1 8 BigInteger j = 0; // 定義BigInteger類型的變量j,初始化為0 9 BigInteger k = 0; // 定義BigInteger類型的變量k,初始化為0 10 BigInteger h = 1; // 定義BigInteger類型的變量h,初始化為1 11 12 if (n < 0) // 如果n小于0,表示需要計(jì)算負(fù)數(shù)的斐波那契數(shù) 13 { 14 n *= -1; // 將n取絕對值 15 semn = n % 2 == 0 ? -1 : 1; // 判斷n的絕對值是否為偶數(shù),如果是偶數(shù),semn為-1,否則為1 16 } 17 18 while (n > 0) // 當(dāng)n大于0時(shí),進(jìn)行循環(huán)計(jì)算斐波那契數(shù) 19 { 20 if (n % 2 != 0) // 如果n是奇數(shù) 21 { 22 t = j * h; // 計(jì)算j乘以h的結(jié)果,并賦值給t 23 j = i * h + j * k + t; // 更新j的值,根據(jù)斐波那契數(shù)列的遞推公式計(jì)算 24 i = i * k + t; // 更新i的值,根據(jù)斐波那契數(shù)列的遞推公式計(jì)算 25 } 26 t = h * h; // 計(jì)算h的平方,并賦值給t 27 h = 2 * k * h + t; // 更新h的值,根據(jù)斐波那契數(shù)列的遞推公式計(jì)算 28 k = k * k + t; // 更新k的值,根據(jù)斐波那契數(shù)列的遞推公式計(jì)算 29 n = n / 2; // 將n除以2,用于控制循環(huán)次數(shù) 30 } 31 32 return j * semn; // 返回計(jì)算得到的斐波那契數(shù)乘以符號semn,得到最終結(jié)果 33 }
這段代碼使用了數(shù)論中的快速冪算法來計(jì)算斐波那契數(shù),通過減少循環(huán)次數(shù)來降低計(jì)算量。讓我們以n=2000000為例來解釋算法的步驟。
首先,我們初始化變量i、j、h和k的值為0、1、1和0。然后,我們進(jìn)入循環(huán),當(dāng)n大于0時(shí),進(jìn)行迭代計(jì)算。
在第一次迭代中,由于n=2000000是一個(gè)偶數(shù),我們只需要更新h和k的值。我們計(jì)算h的平方并將結(jié)果存儲(chǔ)在t中,然后更新h的值為2*k*h + t,更新k的值為k*k + t。此時(shí),n被除以2,變?yōu)?000000。
在第二次迭代中,由于n仍然是一個(gè)偶數(shù),我們再次只需要更新h和k的值。我們計(jì)算h的平方并將結(jié)果存儲(chǔ)在t中,然后更新h的值為2*k*h + t,更新k的值為k*k + t。此時(shí),n被除以2,變?yōu)?00000。
依此類推,我們繼續(xù)進(jìn)行迭代,每次將n除以2,直到n變?yōu)?。在這個(gè)過程中,我們只需要更新h和k的值,而不需要更新i和j的值。
當(dāng)n變?yōu)?時(shí),我們進(jìn)行最后一次迭代。由于n是奇數(shù),我們需要更新i和j的值。我們計(jì)算j*h的結(jié)果并將其存儲(chǔ)在t中,然后更新j的值為i*h + j*k + t,更新i的值為i*k + t。
最后,當(dāng)n變?yōu)?時(shí),循環(huán)終止。此時(shí),i的值就是斐波那契數(shù)列中第2000000個(gè)數(shù)的值。
通過使用快速冪算法,我們只需要進(jìn)行l(wèi)og(n)次循環(huán),而不是n次循環(huán),從而大大降低了計(jì)算量。在這個(gè)例子中,由于n=2000000,我們只需要進(jìn)行l(wèi)og(2000000) ≈ 21次循環(huán),而不是2000000次循環(huán),從而提高了計(jì)算效率。
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測試用例:文章來源:http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-695047.html
1 using NUnit.Framework; 2 using System; 3 using System.Collections.Generic; 4 using System.Numerics; 5 6 public class FibonacciTest 7 { 8 9 [Test] 10 public void testFib() 11 { 12 List<int> tests = new List<int> { 0, 1, 2, 3, 4, 5, -6, -96, 1000, 1001 }; 13 14 Random rnd = new Random(); 15 for (int i = 0; i < 10; ++i) 16 { 17 tests.Add(rnd.Next(-100, 0)); 18 } 19 tests.Add(rnd.Next(10000, 100000)); 20 tests.Add(rnd.Next(1000000, 1500000)); 21 22 foreach (int n in tests) 23 { 24 BigInteger found = Fibonacci.fib(n); 25 Assert.AreEqual(FibonacciRef.fib(n), found); 26 } 27 } 28 29 private static class FibonacciRef 30 { 31 private static IDictionary<int, BigInteger> fibs = new Dictionary<int, BigInteger>(); 32 33 static FibonacciRef() 34 { 35 fibs[0] = BigInteger.Zero; 36 fibs[1] = BigInteger.One; 37 fibs[2] = BigInteger.One; 38 fibs[3] = fibs[2] + fibs[1]; 39 fibs[4] = fibs[3] + fibs[2]; 40 fibs[5] = fibs[4] + fibs[3]; 41 } 42 43 private static BigInteger calcFib(int n) 44 { 45 BigInteger result; 46 if (fibs.TryGetValue(n, out result)) 47 return result; 48 49 if ((n & 1) == 1) 50 { 51 52 int k = (n + 1) / 2; 53 BigInteger fk = BigInteger.Pow(calcFib(k), 2); 54 BigInteger fkm1 = BigInteger.Pow(calcFib(k - 1), 2); 55 result = fk + fkm1; 56 } 57 else 58 { 59 int k = n / 2; 60 BigInteger fk = calcFib(k); 61 BigInteger fkm1 = calcFib(k - 1); 62 result = (fkm1 * fibs[3] + fk) * fk; 63 } 64 65 fibs[n] = result; 66 return result; 67 } 68 69 public static BigInteger fib(int n) 70 { 71 bool neg = n < 0; 72 73 if (neg) 74 n = -n; 75 76 BigInteger result = calcFib(n); 77 78 if (neg && (n & 1) == 0) 79 result = -result; 80 81 return result; 82 } 83 } 84 }
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