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”,指的是这样一个数列: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(1)=1,F(2)=1, F(n)=F(n-1)+F(n-2)(n>=2,n∈N*)。
斐波那契数列,难点在于算法,还有如果变成生成器generator,就要用for循环去遍历可迭代的generator。
问题1:通过Python代码实现获取第n个斐波那契数列的值。
问题2:通过Python代码实现获取n个元素的斐波那契数列。
实现1(递归法):
问题1:
def fib(n):
if n == 1 or n == 2:
return 1
return fib(n - 1) + fib(n - 2)
while 1:
num = input('请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) <= 0:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
print('斐波那契数列的第{}个数字是{}'.format(num,fib(num)))
运行结果:
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:0
输入错误,请重新输入!
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:-1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:1
斐波那契数列的第1个数字是1
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:2
斐波那契数列的第2个数字是1
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:3
斐波那契数列的第3个数字是2
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:4
斐波那契数列的第4个数字是3
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:5
斐波那契数列的第5个数字是5
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字:q
程序结束!
问题2:
def fib(n):
if n == 1 or n == 2:
return 1
return fib(n - 1) + fib(n - 2)
while 1:
num = input('请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
lst = []
for i in range(1,num+1):
lst.append(fib(i))
print('生成的斐波那契数列是{}'.format(lst))
运行结果:
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):-1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):2
生成的斐波那契数列是[1, 1]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):10
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):20
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):q
程序结束!
如上递归法写法最简洁,采用了双递归调用,但是效率最低,会出现大量的重复计算,时间复杂度O(1.618^n),而且最深度是1000。
实现2(递归改进法):
问题1:
def fib(n,lst = [0]):
lst[0] += 1
if n == 2 and lst[0] == 1 or n == 1:
lst[0] -= 1
return 1
elif n == 2:
lst[0] -= 1
return 1,1
else:
a,b = fib(n -1)
lst[0] -= 1
if lst[0] == 0:
return a + b
return b,a + b
while 1:
num = input('请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 1:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
print('斐波那契数列的第{}个数字是{}'.format(num,fib(num)))
运行结果:
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):2
斐波那契数列的第2个数字是1
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):3
斐波那契数列的第3个数字是2
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):4
斐波那契数列的第4个数字是3
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):5
斐波那契数列的第5个数字是5
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):6
斐波那契数列的第6个数字是8
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):50
斐波那契数列的第50个数字是12586269025
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):q
程序结束!
问题2:
def fib(n,lst = [0]):
lst[0] += 1
if n == 2 and lst[0] == 1 or n == 1:
lst[0] -= 1
return 1
elif n == 2:
lst[0] -= 1
return 1,1
else:
a,b = fib(n -1)
lst[0] -= 1
if lst[0] == 0:
return a + b
return b,a + b
while 1:
num = input('请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
lst = []
for i in range(1,num+1):
lst.append(fib(i))
print('生成的斐波那契数列是{}'.format(lst))
运行结果:
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):2
生成的斐波那契数列是[1, 1]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):10
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):20
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):50
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811, 514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578, 5702887, 9227465, 14930352, 24157817, 39088169, 63245986, 102334155, 165580141, 267914296, 433494437, 701408733, 1134903170, 1836311903, 2971215073, 4807526976, 7778742049, 12586269025]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):q
程序结束!
递归改进法,就是将双递归调用改进成单递归调用,时间复杂度是 O(n),呈线性增长,如果数据量巨大,速度会越拖越慢。
实现3(递推法):
问题1:
def fib(n):
a, b = 0, 1
for i in range(n):
a, b = b, a + b
return a
while 1:
num = input('请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
print('斐波那契数列的第{}个数字是{}'.format(num,fib(num)))
运行结果
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):2
斐波那契数列的第2个数字是1
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):3
斐波那契数列的第3个数字是2
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):4
斐波那契数列的第4个数字是3
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):5
斐波那契数列的第5个数字是5
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):6
斐波那契数列的第6个数字是8
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):q
程序结束!
问题2:
def fib(n):
a, b = 0, 1
for i in range(n):
a, b = b, a + b
return a
while 1:
num = input('请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
lst = []
for i in range(1,num+1):
lst.append(fib(i))
print('生成的斐波那契数列是{}'.format(lst))
运行结果
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):2
生成的斐波那契数列是[1, 1]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):3
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):10
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):20
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):50
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811, 514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578, 5702887, 9227465, 14930352, 24157817, 39088169, 63245986, 102334155, 165580141, 267914296, 433494437, 701408733, 1134903170, 1836311903, 2971215073, 4807526976, 7778742049, 12586269025]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):q
程序结束!
递推法,就是递增法,时间复杂度是 O(n),呈线性增长,如果数据量巨大,速度会越拖越慢。
实现4(生成器):
问题1:
def fib(n):
a, b = 0, 1
while n > 0:
a, b = b, a + b
n -= 1
yield a
while 1:
num = input('请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
for i in fib(num):
continue
print('斐波那契数列的第{}个数字是{}'.format(num,i))
运行结果
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):2
斐波那契数列的第2个数字是1
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):3
斐波那契数列的第3个数字是2
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):4
斐波那契数列的第4个数字是3
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):5
斐波那契数列的第5个数字是5
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):6
斐波那契数列的第6个数字是8
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):q
程序结束!
问题2:
def fib(n):
a, b = 0, 1
while n > 0:
a, b = b, a + b
n -= 1
yield a
while 1:
num = input('请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
lst = []
for i in fib(num):
lst.append(i)
print('生成的斐波那契数列是{}'.format(lst))
运行结果
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):2
生成的斐波那契数列是[1, 1]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):3
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):4
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):5
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):10
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):20
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):50
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811, 514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578, 5702887, 9227465, 14930352, 24157817, 39088169, 63245986, 102334155, 165580141, 267914296, 433494437, 701408733, 1134903170, 1836311903, 2971215073, 4807526976, 7778742049, 12586269025]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):q
程序结束!
带有yield的函数都被看成生成器,生成器是可迭代对象,且具备__iter__ 和 __next__方法, 可以遍历获取元素。
python要求迭代器本身也是可迭代的,所以我们还要为迭代器实现__iter__方法,而__iter__方法要返回一个迭代器,迭代器自身正是一个迭代器,所以迭代器的__iter__方法返回自身即可。
实现5(类实现内部魔法方法):
问题1:
class fib(object):
"""斐波那契数列迭代器"""
def __init__(self, n):
"""
:param n:int 指 生成数列的个数
"""
self.n = n
# 保存当前生成到的数据列的第几个数据,生成器中性质,记录位置,下一个位置的数据
self.current = 0
# 两个初始值
self.a = 0
self.b = 1
def __next__(self):
"""当使用next()函数调用时,就会获取下一个数"""
if self.current < self.n:
self.a, self.b = self.b, self.a + self.b
self.current += 1
return self.a
else:
raise StopIteration
def __iter__(self):
"""迭代器的__iter__ 返回自身即可"""
return self
while 1:
num = input('请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
if __name__ == '__main__':
for i in fib(num):
continue
print('斐波那契数列的第{}个数字是{}'.format(num, i))
运行结果
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):2
斐波那契数列的第2个数字是1
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):3
斐波那契数列的第3个数字是2
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):4
斐波那契数列的第4个数字是3
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):5
斐波那契数列的第5个数字是5
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):6
斐波那契数列的第6个数字是8
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):10
斐波那契数列的第10个数字是55
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):20
斐波那契数列的第20个数字是6765
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):50
斐波那契数列的第50个数字是12586269025
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):q
程序结束!
问题2:
class fib(object):
"""斐波那契数列迭代器"""
def __init__(self, n):
"""
:param n:int 指 生成数列的个数
"""
self.n = n
# 保存当前生成到的数据列的第几个数据,生成器中性质,记录位置,下一个位置的数据
self.current = 0
# 两个初始值
self.a = 0
self.b = 1
def __next__(self):
"""当使用next()函数调用时,就会获取下一个数"""
if self.current < self.n:
self.a, self.b = self.b, self.a + self.b
self.current += 1
return self.a
else:
raise StopIteration
def __iter__(self):
"""迭代器的__iter__ 返回自身即可"""
return self
while 1:
num = input('请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
lst = []
for i in fib(num):
lst.append(i)
print('生成的斐波那契数列是{}'.format(lst))
运行结果
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):2
生成的斐波那契数列是[1, 1]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):3
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):4
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):5
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):6
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):10
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):20
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):50
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811, 514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578, 5702887, 9227465, 14930352, 24157817, 39088169, 63245986, 102334155, 165580141, 267914296, 433494437, 701408733, 1134903170, 1836311903, 2971215073, 4807526976, 7778742049, 12586269025]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):q
程序结束!
实现6(矩阵快速幂):
问题1:
代码A:
import numpy as np
def fib_matrix(n):
result_list = []
for i in range(n):
res = pow((np.matrix([[1, 1], [1, 0]], dtype='int64')), i) * np.matrix([[1], [0]])
result_list.append(int(res[0][0]))
return result_list
while 1:
num = input('请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
print('斐波那契数列的第{}个数字是{}'.format(num, fib_matrix(num)[-1]))
代码B:
# 使用矩阵计算斐波那契数列
import numpy as np
def Fibonacci_Matrix_tool(n):
Matrix = np.matrix("1 1;1 0", dtype='int64')
# 返回是matrix类型
return np.linalg.matrix_power(Matrix, n)
def Fibonacci_Matrix(n):
result_list = []
for i in range(0, n):
result_list.append(np.array(Fibonacci_Matrix_tool(i))[0][0])
return result_list
while 1:
num = input('请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
print('斐波那契数列的第{}个数字是{}'.format(num, Fibonacci_Matrix(num)[-1]))
运行结果
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):2
斐波那契数列的第2个数字是1
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):3
斐波那契数列的第3个数字是2
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):4
斐波那契数列的第4个数字是3
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):5
斐波那契数列的第5个数字是5
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):6
斐波那契数列的第6个数字是8
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):10
斐波那契数列的第10个数字是55
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):20
斐波那契数列的第20个数字是6765
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):50
斐波那契数列的第50个数字是12586269025
请输入要获取斐波那契数列的第几个数字(n >= 2):q
程序结束!
问题2:
代码A:
import numpy as np
def fib_matrix(n):
result_list = []
for i in range(n):
res = pow((np.matrix([[1, 1], [1, 0]], dtype='int64')), i) * np.matrix([[1], [0]])
result_list.append(int(res[0][0]))
return result_list
while 1:
num = input('请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
print('生成的斐波那契数列是{}'.format(fib_matrix(num)))
代码B:
# 使用矩阵计算斐波那契数列
import numpy as np
def Fibonacci_Matrix_tool(n):
Matrix = np.matrix("1 1;1 0", dtype='int64')
# 返回是matrix类型
return np.linalg.matrix_power(Matrix, n)
def Fibonacci_Matrix(n):
result_list = []
for i in range(0, n):
result_list.append(np.array(Fibonacci_Matrix_tool(i))[0][0])
return result_list
while 1:
num = input('请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):')
if num.upper() == 'Q':
print('程序结束!')
break
elif int(num) < 2:
print('输入错误,请重新输入!')
else:
num = int(num)
print('生成的斐波那契数列是{}'.format(Fibonacci_Matrix(num)))
运行结果
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):1
输入错误,请重新输入!
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):2
生成的斐波那契数列是[1, 1]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):3
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):4
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):10
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):20
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):50
生成的斐波那契数列是[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393, 196418, 317811, 514229, 832040, 1346269, 2178309, 3524578, 5702887, 9227465, 14930352, 24157817, 39088169, 63245986, 102334155, 165580141, 267914296, 433494437, 701408733, 1134903170, 1836311903, 2971215073, 4807526976, 7778742049, 12586269025]
请输入要获取多少个元素的斐波那契数列(n >= 2):q
程序结束!
pow 速度 比 双**号快,np.linalg.matrix_power也是一种方法。
因为幂运算可以使用二分加速,所以矩阵法的时间复杂度为 O(log n),
用科学计算包numpy来实现矩阵法 O(log n)。