斐波那契数列、青蛙跳台阶问题的本质分析,简单的动态规划数学原理

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# 剑指 Offer 10- I. 斐波那契数列变种

斐波那契数列的计算,本质上是一个动态规划问题,将所求的结果,转换成前两步的运算结果

动态规划的定义: 动态规划(英语:Dynamic programming,简称 DP),是一种在数学、管理科学、计算机科学、经济学和生物信息学中使用的,通过把原问题分解为相对简单的子问题的方式求解复杂问题的方法。动态规划常常适用于有重叠子问题最优子结构性质的问题。

动态规划最核心的思想,就在于拆分子问题,记住过往,减少重复计算

典型的例子有斐波那契数列青蛙跳台阶问题

LeetCode原题:

写一个函数,输入 n ,求斐波那契(Fibonacci)数列的第 n 项(即 F(N))。斐波那契数列的定义如下: F(0) = 0, F(1) = 1 F(N) = F(N - 1) + F(N - 2), 其中 N > 1. 斐波那契数列由 0 和 1 开始,之后的斐波那契数就是由之前的两数相加而得出。 答案需要取模 1e9+7(1000000007),如计算初始结果为:1000000008,请返回 1。

用数学符号表达一下:

f(n)={n,n=01f(n1)+f(n2),n>1f(n)=\begin{cases} n &,n=0或1\\ f(n-1)+f(n-2)&,n>1\end{cases}

尝试一下递归版(Java)写法:

class Solution {
    public int fib(int n) {
        if(n == 1 || n == 0) {
            return n;
        }
        return fib(n - 1) + fib(n - 2);
    }
}

递归版函数栈等待时间过长容易超时

转为迭代版本(Java):

class Solution {
    public int fib(int n) {
        if(n == 1 || n == 0) {
            return n;
        }
        long i = 0;
        long j = 1;
        long fb = 0;
        for(int b = 2; b <= n; b++) {
            fb = i + j;
            fb = (long)(fb % (1e9+7));
            i = j;
            j = fb;
        }
        
        return (int)fb;
    }
}

提交效果:

image.png

Python迭代版本的斐波那契数列递归实现:

class Solution(object):
    def fib(self, n):
        """
        :type n: int
        :rtype: int
        """
        if n == 0 or n == 1:
            return n
        i = 0
        j = 1
        sum = 0
        for k in range(n):
            sum = i + j
            i = j
            j = sum
        return i%int(1e9+7)

提交效果: image.png

青蛙跳台阶问题

一只青蛙一次可以跳上1级台阶,也可以跳上2级台阶。求该青蛙跳上一个 n 级的台阶总共有多少种跳法。答案需要取模 1e9+7(1000000007),如计算初始结果为:1000000008,请返回 1。

青蛙跳台阶问题,实质上就是动态规划,假设最后一跳(第n次)是一个台阶,或者两个台阶,往旧历史推演,那么第(n-1)次是几个台阶,第(n-2)次,…,第1次。

数学表示为:

f(n)={1,n=01f(n1)+f(n2),n>1f(n)=\begin{cases} 1 &,n=0或1\\ f(n-1)+f(n-2)&,n>1\end{cases}

递归版本(Java):

class Solution {
    public int numWays(int n) {
        if(n == 1 || n == 0) {
            return 1;
        }
        return numWays(n - 1) + numWays(n - 2);
    }
}

Java迭代版本:

class Solution {
    public int numWays(int n) {
        if(n == 1 || n == 0) {
            return 1;
        }
        int i = 1;
        int j = 1;
        int sum = 0;
        while(n >= 2) {
            sum = i + j;
            sum = sum % (1000000007);
            i = j;
            j = sum;
            n -= 1;
        }
        return sum;
    }
}

实现效果: image.png

Python版迭代代码:

class Solution(object):
    def numWays(self, n):
        """
        :type n: int
        :rtype: int
        """
        if n == 0 or n == 1:
            return 1
        i = 1
        j = 1
        sum = 0
        for k in range(2, n+1, 1):
            sum = i + j
            i = j
            j = sum
        return sum % (1000000007)

提交效果:

image.png