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  • 第十二周项目3-用递归方法求解(二)

    编制递归函数fib(int n)返回第n个Fibnacci数,以此输出Fibnacci序列的第20个数

    关于Fibnacci:

    Fibnacci数列又称斐波那契数列黄金分割数列,指的是这样一个数列:1、1、2、3、5、8、13、21、……在数学上,斐波纳契数列以如下被以递归的方法定义:F0=0,F1=1,Fn=F(n-1)+F(n-2)(n>=2,n∈N*)在现代物理、准晶体结构、化学等领域,斐波纳契数列都有直接的应用,为此,美国数学会从1963起出版了以《斐波纳契数列季刊》为名的一份数学杂志,用于专门刊载这方面的研究成果。

    递推公式

    斐波那契数列:0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, ...[1] 
    如果设F(n)为该数列的第n项(n∈N*),那么这句话可以写成如下形式:[1] 
    显然这是一个线性递推数列。[1] 
    通项公式


    (如上,又称为“比内公式”,是用无理数表示有理数的一个范例。)
    注:此时a1=1,a2=1,an=a(n-1)+a(n-2)(n>=3,n∈N*)
    通项公式推导


    方法一:
    利用特征方程(线性代数解法)
    线性递推数列的特征方程为:
      X^2=X+1
      解得
      X1=(1+√5)/2, X2=(1-√5)/2.
      则F(n)=C1*X1^n + C2*X2^n
      ∵F(1)=F(2)=1
      ∴C1*X1 + C2*X2=C1*X1^2 + C2*X2^2=1  
      解得C1=1/√5,C2=-1/√5
      ∴F(n)=(1/√5)*{[(1+√5)/2]^n - [(1-√5)/2]^n}【√5表示根号5】
    方法二:待定系数法构造等比数列1(初等代数解法)
    设常数r,s。
    使得F(n)-r*F(n-1)=s*[F(n-1)-r*F(n-2)]。
    则r+s=1, -rs=1。
    n≥3时,有。
    F(n)-r*F(n-1)=s*[F(n-1)-r*F(n-2)]。
    F(n-1)-r*F(n-2)=s*[F(n-2)-r*F(n-3)]。
    F(n-2)-r*F(n-3)=s*[F(n-3)-r*F(n-4)]。
    ……
    F⑶-r*F⑵=s*[F⑵-r*F⑴]。
    联立以上n-2个式子,得:
    F(n)-r*F(n-1)=[s^(n-2)]*[F⑵-r*F⑴]。
    ∵s=1-r,F⑴=F⑵=1。
    上式可化简得:
    F(n)=s^(n-1)+r*F(n-1)。
    那么:
    F(n)=s^(n-1)+r*F(n-1)。
    = s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*F(n-2)。
    = s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*s^(n-3) + r^3*F(n-3)。
    ……
    = s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*s^(n-3) +……+ r^(n-2)*s + r^(n-1)*F⑴。
    = s^(n-1) + r*s^(n-2) + r^2*s^(n-3) +……+ r^(n-2)*s + r^(n-1)。
    (这是一个以s^(n-1)为首项、以r^(n-1)为末项、r/s为公比的等比数列的各项的和)。
    =[s^(n-1)-r^(n-1)*r/s]/(1-r/s)。
    =(s^n - r^n)/(s-r)。
    r+s=1, -rs=1的一解为 s=(1+√5)/2,r=(1-√5)/2。
    则F(n)=(√5/5)*{[(1+√5)/2]^n - [(1-√5)/2]^n}。


    方法三:待定系数法构造等比数列2(初等代数解法)
    已知a1=1,a2=1,an=a(n-1)+a(n-2)(n>=3),求数列{an}的通项公式。
    解 :设an-αa(n-1)=β(a(n-1)-αa(n-2))。
    得α+β=1。
    αβ=-1。
    构造方程x^2-x-1=0,解得α=(1-√5)/2,β=(1+√5)/2或α=(1+√5)/2,β=(1-√5)/2。
    所以。
    an-(1-√5)/2*a(n-1)=(1+√5)/2*(a(n-1)-(1-√5)/2*a(n-2))=[(1+√5)/2]^(n-2)*(a2-(1-√5)/2*a1)`````````1。
    an-(1+√5)/2*a(n-1)=(1-√5)/2*(a(n-1)-(1+√5)/2*a(n-2))=[(1-√5)/2]^(n-2)*(a2-(1+√5)/2*a1)`````````2。
    由式1,式2,可得。
    an=[(1+√5)/2]^(n-2)*(a2-(1-√5)/2*a1)``````````````3。
    an=[(1-√5)/2]^(n-2)*(a2-(1+√5)/2*a1)``````````````4。
    将式3*(1+√5)/2-式4*(1-√5)/2,化简得an=(1/√5)*{[(1+√5)/2]^n - [(1-√5)/2]^n}。


    方法四:母函数法。
    对于斐波那契数列{a(n)},有a(1)=a(2)=1,a(n)=a(n-1)+a(n-2)(n>2时)
    令S(x)=a(1)x+a(2)x^2+……+a(n)x^n+……。
    那么有S(x)*(1-x-x^2)=a(1)x+[a(2)-a(1)]x^2+……+[a(n)-a(n-1)-a(n-2)]x^n+……=x
    .因此S(x)=x/(1-x-x^2).
    不难证明1-x-x^2=-[x+(1+√5)/2][x+(1-√5)/2]=[1-(1-√5)/2*x][1-(1+√5)/2*x].
    因此S(x)=(1/√5)*{x/[1-(1+√5)/2*x]-x/[1-(1-√5)/2*x]}.
    再利用展开式1/(1-x)=1+x+x^2+x^3+……+x^n+……
    于是就可以得S(x)=b(1)x+b(2)x^2+……+b(n)x^n+……
    其中b(n)=(1/√5)*{[(1+√5)/2]^n - [(1-√5)/2]^n}.
    因此可以得到a(n)=b(n)==(1/√5)*{[(1+√5)/2]^n - [(1-√5)/2]^n}

    运行代码:

    /*
     *Copyright (c) 2014,烟台大学计算机学院
     *All gight reserved.
     *文件名称:temp.cpp
     *作者:邵帅
     *完成时间:2014年11月15日
     *版本号:v1.0
    */
    #include<iostream>
    using namespace std;
    int fib(int n);
    int main()
    {
    	cout<<fib(20)<<endl;
    	return 0;
    }
    int fib(int n)
    {
    	int sum=0;
    	if (n==1)
    	return 0;
    	else if (n==2)
    	return 1;
    	else
    	{
      	sum=fib(n-1)+fib(n-2);
      	return sum;
    	}
    }

    运行结果:



    输入一个整数n,要求输出对应的二进制形式

    二进制整数n转换为二进制的方法是“除2取余法”,即将n除以2后得到的余数,由后到前“串”起来,得到对应的二进制数,如图。

    运行代码:

    /*
     *Copyright (c) 2014,烟台大学计算机学院
     *All gight reserved.
     *文件名称:temp.cpp
     *作者:邵帅
     *完成时间:2014年11月15日
     *版本号:v1.0
    */
    #include <iostream>
    using namespace std;
    void dec2bin(int n);
    int main()
    {
        int n;
        cout<<"请输入一个整数:";
        cin>>n;
        cout<<n<<"对应的二进制形式为:";
        dec2bin(n);
        cout<<endl;
        return 0;
    }
    void dec2bin(int n)
    {
        int m;
        if (n==0)
            return;
        else
        {
            m=n%2;
            dec2bin(n/2);
            cout<<m;
        }
    }
    运行结果:


    心得:关于递归函数的使用,真的是考验逻辑性的时候到了,不仅看到一个程序需要构建出它的运行方式,还要勾勒出它每一步的运行轨迹,才能正确的使用递归函数,最重要的,还是逻辑性吧。


    @ Mayuko



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