斐波那契查找算法

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周小末天天开心 发表于 2022/12/31 22:47:41 2022/12/31
【摘要】 斐波那契(黄金分割法)查找算法基本介绍黄金分割点是指把一条线段分割为两部分,使其中一部分与全长之比等于另一部分与这部分之比。取其前三位 数字的近似值是 0.618。由于按此比例设计的造型十分美丽,因此称为黄金分割,也称为中外比。这是一个神 奇的数字,会带来意向不大的效果。斐波那契数列 {1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 } 发现斐波那契数列的两个相邻数 的比例...

斐波那契(黄金分割法)查找算法

基本介绍

  1. 黄金分割点是指把一条线段分割为两部分,使其中一部分与全长之比等于另一部分与这部分之比。取其前三位 数字的近似值是 0.618。由于按此比例设计的造型十分美丽,因此称为黄金分割,也称为中外比。这是一个神 奇的数字,会带来意向不大的效果。

  2. 斐波那契数列 {1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55 } 发现斐波那契数列的两个相邻数 的比例,无限接近 黄金分割值 0.618

原理

斐波那契查找原理与前两种相似,仅仅改变了中间结点(mid)的位置,mid 不再是中间或插值得到,而是位 于黄金分割点附近,即 mid=low+F(k-1)-1(F 代表斐波那契数列)

如下图所示


对 F(k-1)-1 的理解

  1. 由斐波那契数列 F[k]=F[k-1]+F[k-2] 的性质,可以得到 (F[k]-1)=(F[k-1]-1)+(F[k-2]-1)+1 。该式说明: 只要顺序表的长度为 F[k]-1,则可以将该表分成长度为 F[k-1]-1 和 F[k-2]-1 的两段,即如上图所示。从而中间位置为 mid=low+F(k-1)-1

  2. 类似的,每一子段也可以用相同的方式分割

  3. 但顺序表长度 n 不一定刚好等于 F[k]-1,所以需要将原来的顺序表长度 n 增加至 F[k]-1。这里的 k 值只要能使 得 F[k]-1 恰好大于或等于 n 即可,由以下代码得到,顺序表长度增加后,新增的位置(从 n+1 到 F[k]-1 位置), 都赋为 n 位置的值即可。


 while(n>fib(k)-1) k++;

应用案例

请对一个有序数组进行斐波那契查找 {1,8, 10, 89, 1000, 1234} ,输入一个数看看该数组是否存在此数,并且求 出下标,如果没有就提示"没有这个数"。

import java.util.Arrays;

public class FibonacciSearch {
    public static int maxSize = 20;
    public static void main(String[] args) {
        int [] arr = {1,8, 10, 89, 1000, 1234};
        System.out.println("index=" + fibSearch(arr, 189));// 0
    }
    
    //因为后面我们 mid=low+F(k-1)-1,需要使用到斐波那契数列,因此我们需要先获取到一个斐波那契数列
    //非递归方法得到一个斐波那契数列
    public static int[] fib() {
        int[] f = new int[maxSize];
        f[0] = 1;
        f[1] = 1;
        for (int i = 2; i < maxSize; i++) {
            f[i] = f[i - 1] + f[i - 2];
        }
        return f;
    }
    
    //编写斐波那契查找算法
    //使用非递归的方式编写算法
    /**
    *
    * @param a 数组
    * @param key 我们需要查找的关键码(值)
    * @return 返回对应的下标,如果没有-1
    */
    
    public static int fibSearch(int[] a, int key) {
        int low = 0;
        int high = a.length - 1;
        int k = 0; //表示斐波那契分割数值的下标
        int mid = 0; //存放 mid 值
        int f[] = fib(); //获取到斐波那契数列
        //获取到斐波那契分割数值的下标
        while(high > f[k] - 1) {
            k++;
        }
        
        //因为 f[k] 值 可能大于 a 的 长度,因此我们需要使用 Arrays 类,构造一个新的数组,并指向 temp[]
        //不足的部分会使用 0 填充
        int[] temp = Arrays.copyOf(a, f[k]);
        //实际上需求使用 a 数组最后的数填充 temp
        //举例:
        //temp = {1,8, 10, 89, 1000, 1234, 0, 0} => {1,8, 10, 89, 1000, 1234, 1234, 1234,}
        for(int i = high + 1; i < temp.length; i++) {
            temp[i] = a[high];
        }
        
        // 使用 while 来循环处理,找到我们的数 key
        while (low <= high) { // 只要这个条件满足,就可以找
            mid = low + f[k - 1] - 1;
            if(key < temp[mid]) { //我们应该继续向数组的前面查找(左边)
                high = mid - 1;
                //为什么是 k--

                //1. 全部元素 = 前面的元素 + 后边元素
                //2. f[k] = f[k-1] + f[k-2]
                //因为 前面有 f[k-1]个元素,所以可以继续拆分 f[k-1] = f[k-2] + f[k-3]
                //即 在 f[k-1] 的前面继续查找 k--
                //即下次循环 mid = f[k-1-1]-1
                k--;
            } else if ( key > temp[mid]) { // 我们应该继续向数组的后面查找(右边)
                low = mid + 1;
                //为什么是 k -=2
                //说明
                //1. 全部元素 = 前面的元素 + 后边元素
                //2. f[k] = f[k-1] + f[k-2]
                //3. 因为后面我们有 f[k-2] 所以可以继续拆分 f[k-1] = f[k-3] + f[k-4]
                //4. 即在 f[k-2] 的前面进行查找 k -=2
                //5. 即下次循环 mid = f[k - 1 - 2] - 1
                k -= 2;
            } else { //找到
                //需要确定,返回的是哪个下标
                if(mid <= high) {
                    return mid;
                } else {
                    return high;
                }
            }
        }
        return -1;
    }
}

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