-1

最近我对算法产生了兴趣,斐波那契数列因其简单性而引起了我的注意。

我已经设法在 javascript 中将一些东西放在一起,在阅读网络上的大量信息后,在不到 15 毫秒的时间内计算斐波那契数列中的第 n 项。它上升到 1476...1477 是无穷大,1478 是 NaN(根据 javascript!)

我为代码本身感到非常自豪,除了它是一个彻头彻尾的怪物。

所以这是我的问题:A)有没有更快的方法来计算序列?B)是否有更快/更小的方法来乘以两个矩阵?

这是代码:

//Fibonacci sequence generator in JS
//Cobbled together by Salty
m = [[1,0],[0,1]];
odd = [[1,1],[1,0]];
function matrix(a,b) {
    /* 
        Matrix multiplication
        Strassen Algorithm
        Only works with 2x2 matrices.
    */
    c=[[0,0],[0,0]];
    c[0][0]=(a[0][0]*b[0][0])+(a[0][1]*b[1][0]);
    c[0][1]=(a[0][0]*b[0][1])+(a[0][1]*b[1][1]);
    c[1][0]=(a[1][0]*b[0][0])+(a[1][1]*b[1][0]);
    c[1][1]=(a[1][0]*b[0][1])+(a[1][1]*b[1][1]);
    m1=(a[0][0]+a[1][1])*(b[0][0]+b[1][1]);
    m2=(a[1][0]+a[1][1])*b[0][0];
    m3=a[0][0]*(b[0][1]-b[1][1]);
    m4=a[1][1]*(b[1][0]-b[0][0]);
    m5=(a[0][0]+a[0][1])*b[1][1];
    m6=(a[1][0]-a[0][0])*(b[0][0]+b[0][1]);
    m7=(a[0][1]-a[1][1])*(b[1][0]+b[1][1]);
    c[0][0]=m1+m4-m5+m7;
    c[0][1]=m3+m5;
    c[1][0]=m2+m4;
    c[1][1]=m1-m2+m3+m6;
    return c;
}
function fib(n) {
    mat(n-1);
    return m[0][0];
}
function mat(n) {
    if(n > 1) {
        mat(n/2);
        m = matrix(m,m);
    }
    m = (n%2<1) ? m : matrix(m,odd);
}
alert(fib(1476)); //Alerts 1.3069892237633993e+308

矩阵函数有两个参数:a 和 b,并返回 a*b,其中 a 和 b 是 2x2 数组。哦,顺便说一句,发生了一件神奇的事情……我正在将 Strassen 算法转换为 JS 数组表示法,它在我第一次尝试时就奏效了!太棒了,对吧?:P

如果您设法找到一种更简单的方法来做到这一点,请提前致谢。

4

10 回答 10

11

不要推测,基准:

编辑:我使用其他答案中提到的优化乘法函数添加了自己的矩阵实现。这导致了显着的加速,但即使是带有循环的矩阵乘法的普通 O(n^3) 实现也比 Strassen 算法快。

<pre><script>

var fib = {};

(function() {
    var sqrt_5  = Math.sqrt(5),
        phi     = (1 + sqrt_5) / 2;

    fib.round = function(n) {
        return Math.floor(Math.pow(phi, n) / sqrt_5 + 0.5);
    };
})();

(function() {
    fib.loop = function(n) {
        var i = 0,
            j = 1;

        while(n--) {
            var tmp = i;
            i = j;
            j += tmp;
        }

        return i;
    };
})();

(function () {
    var cache = [0, 1];

    fib.loop_cached = function(n) {
        if(n >= cache.length) {
            for(var i = cache.length; i <= n; ++i)
                cache[i] = cache[i - 1] + cache[i - 2];
        }

        return cache[n];
    };
})();

(function() {
    //Fibonacci sequence generator in JS
    //Cobbled together by Salty
    var m;
    var odd = [[1,1],[1,0]];

    function matrix(a,b) {
        /*
            Matrix multiplication
            Strassen Algorithm
            Only works with 2x2 matrices.
        */
        var c=[[0,0],[0,0]];
        var m1=(a[0][0]+a[1][1])*(b[0][0]+b[1][1]);
        var m2=(a[1][0]+a[1][1])*b[0][0];
        var m3=a[0][0]*(b[0][1]-b[1][1]);
        var m4=a[1][1]*(b[1][0]-b[0][0]);
        var m5=(a[0][0]+a[0][1])*b[1][1];
        var m6=(a[1][0]-a[0][0])*(b[0][0]+b[0][1]);
        var m7=(a[0][1]-a[1][1])*(b[1][0]+b[1][1]);
        c[0][0]=m1+m4-m5+m7;
        c[0][1]=m3+m5;
        c[1][0]=m2+m4;
        c[1][1]=m1-m2+m3+m6;
        return c;
    }

    function mat(n) {
        if(n > 1) {
            mat(n/2);
            m = matrix(m,m);
        }
        m = (n%2<1) ? m : matrix(m,odd);
    }

    fib.matrix = function(n) {
        m = [[1,0],[0,1]];
        mat(n-1);
        return m[0][0];
    };
})();

(function() {
    var a;

    function square() {
        var a00 = a[0][0],
            a01 = a[0][1],
            a10 = a[1][0],
            a11 = a[1][1];

        var a10_x_a01 = a10 * a01,
            a00_p_a11 = a00 + a11;

        a[0][0] = a10_x_a01 + a00 * a00;
        a[0][1] = a00_p_a11 * a01;
        a[1][0] = a00_p_a11 * a10;
        a[1][1] = a10_x_a01 + a11 * a11;
    }

    function powPlusPlus() {
        var a01 = a[0][1],
            a11 = a[1][1];

        a[0][1] = a[0][0];
        a[1][1] = a[1][0];
        a[0][0] += a01;
        a[1][0] += a11;
    }

    function compute(n) {
        if(n > 1) {
            compute(n >> 1);
            square();
            if(n & 1)
                powPlusPlus();
        }
    }

    fib.matrix_optimised = function(n) {
        if(n == 0)
            return 0;

        a = [[1, 1], [1, 0]];
        compute(n - 1);

        return a[0][0];
    };
})();

(function() {
    var cache = {};
    cache[0] = [[1, 0], [0, 1]];
    cache[1] = [[1, 1], [1, 0]];

    function mult(a, b) {
        return [
            [a[0][0] * b[0][0] + a[0][1] * b[1][0],
                a[0][0] * b[0][1] + a[0][1] * b[1][1]],
            [a[1][0] * b[0][0] + a[1][1] * b[1][0],
                a[1][0] * b[0][1] + a[1][1] * b[1][1]]
        ];
    }

    function compute(n) {
        if(!cache[n]) {
            var n_2 = n >> 1;
            compute(n_2);
            cache[n] = mult(cache[n_2], cache[n_2]);
            if(n & 1)
                cache[n] = mult(cache[1], cache[n]);
        }
    }

    fib.matrix_cached = function(n) {
        if(n == 0)
            return 0;

        compute(--n);

        return cache[n][0][0];
    };
})();

function test(name, func, n, count) {
    var value;

    var start = Number(new Date);
    while(count--)
        value = func(n);
    var end = Number(new Date);

    return 'fib.' + name + '(' + n + ') = ' + value + ' [' +
        (end - start) + 'ms]';
}

for(var func in fib)
    document.writeln(test(func, fib[func], 1450, 10000));

</script></pre>

产量

fib.round(1450) = 4.8149675025003456e+302 [20ms]
fib.loop(1450) = 4.81496750250011e+302 [4035ms]
fib.loop_cached(1450) = 4.81496750250011e+302 [8ms]
fib.matrix(1450) = 4.814967502500118e+302 [2201ms]
fib.matrix_optimised(1450) = 4.814967502500113e+302 [585ms]
fib.matrix_cached(1450) = 4.814967502500113e+302 [12ms]

您的算法几乎与未缓存的循环一样糟糕。缓存是你最好的选择,紧随其后的是舍入算法——它会产生不正确的结果n(就像你的矩阵算法一样)。

对于较小n的 ,您的算法的性能比其他所有方法都差:

fib.round(100) = 354224848179263100000 [20ms]
fib.loop(100) = 354224848179262000000 [248ms]
fib.loop_cached(100) = 354224848179262000000 [6ms]
fib.matrix(100) = 354224848179261900000 [1911ms]
fib.matrix_optimised(100) = 354224848179261900000 [380ms]
fib.matrix_cached(100) = 354224848179261900000 [12ms]
于 2009-01-09T11:53:01.037 回答
6

第 n 个斐波那契数有一个封闭形式(无循环)的解决方案。

参见维基百科。

于 2009-01-09T00:13:00.210 回答
4

可能有一种更快的方法来计算这些值,但我认为没有必要。

计算一次,然后在您的程序中将结果输出为下面的 fibdata 行:

fibdata = [1,1,2,3,5,8,13, ... , 1.3069892237633993e+308];  // 1476 entries.
function fib(n) {
    if ((n < 0) || (n > 1476)) {
        ** Do something exception-like or return INF;
    }
    return fibdata[n];
}

然后,这就是您发送给客户的代码。这对你来说是一个 O(1) 的解决方案。

人们经常忽略“缓存”解决方案。我曾经不得不为嵌入式系统编写三角函数例程,而不是使用无限级数来动态计算它们,我只有几个查找表,每个输入度数都有 360 个条目。

不用说,它以大约 1K 的 RAM 为代价尖叫着。这些值存储为 1 字节条目,[实际值 (0-1) * 16],因此我们只需进行查找、乘法和位移即可获得所需的值。

于 2009-01-09T00:32:27.033 回答
2

我之前的回答有点拥挤,所以我会发布一个新的:

您可以使用 vanilla 2x2 矩阵乘法来加速您的算法 - 即将您的matrix()函数替换为:

function matrix(a, b) {
    return [
        [a[0][0] * b[0][0] + a[0][1] * b[1][0],
            a[0][0] * b[0][1] + a[0][1] * b[1][1]],
        [a[1][0] * b[0][0] + a[1][1] * b[1][0],
            a[1][0] * b[0][1] + a[1][1] * b[1][1]]
    ];
}

如果您关心准确性和速度,请使用缓存解决方案。如果精度不是问题,但内存消耗是问题,请使用舍入解决方案。n矩阵解决方案仅在您想要快速获得结果、不关心准确性并且不想重复调用该函数时才有意义。

编辑:如果您使用专门的乘法函数,消除公共子表达式并替换现有数组中的值而不是创建新数组,您甚至可以进一步加快计算速度:

function square() {
    var a00 = a[0][0],
        a01 = a[0][1],
        a10 = a[1][0],
        a11 = a[1][1];

    var a10_x_a01 = a10 * a01,
        a00_p_a11 = a00 + a11;

    a[0][0] = a10_x_a01 + a00 * a00;
    a[0][1] = a00_p_a11 * a01;
    a[1][0] = a00_p_a11 * a10;
    a[1][1] = a10_x_a01 + a11 * a11;
}

function powPlusPlus() {
    var a01 = a[0][1],
        a11 = a[1][1];

    a[0][1] = a[0][0];
    a[1][1] = a[1][0];
    a[0][0] += a01;
    a[1][0] += a11;
}

注意:a是全局矩阵变量的名称。

于 2009-01-09T17:55:56.763 回答
2

JavaScript 中的封闭式解决方案:O(1),精确到 n=75

function fib(n){
   var sqrt5 = Math.sqrt(5);
   var a = (1 + sqrt5)/2;
   var b = (1 - sqrt5)/2;
   var ans = Math.round((Math.pow(a, n) - Math.pow(b, n))/sqrt5);
   return ans;
}

诚然,在处理大量数字时,即使是乘法也开始付出代价,但这会给你答案。据我所知,由于 JavaScript 对值进行四舍五入,它只能精确到 n = 75。过去,你会得到一个很好的估计,但它不会完全准确,除非你想做一些棘手的事情,比如 store将值作为字符串然后将其解析为 BigIntegers。

于 2013-07-25T16:55:19.010 回答
1

如何记住已经计算的结果,如下所示:

var IterMemoFib = function() {
    var cache = [1, 1];
    var fib = function(n) {
        if (n >= cache.length) {
            for (var i = cache.length; i <= n; i++) {
                cache[i] = cache[i - 2] + cache[i - 1];
            }
        }
        return cache[n];
    }

    return fib;
}();

或者,如果您想要更通用的记忆功能,请扩展Function原型:

Function.prototype.memoize = function() {
    var pad  = {};
    var self = this;
    var obj  = arguments.length > 0 ? arguments[i] : null;

    var memoizedFn = function() {
        // Copy the arguments object into an array: allows it to be used as
        // a cache key.
        var args = [];
        for (var i = 0; i < arguments.length; i++) {
            args[i] = arguments[i];
        }

        // Evaluate the memoized function if it hasn't been evaluated with
        // these arguments before.
        if (!(args in pad)) {
            pad[args] = self.apply(obj, arguments);
        }

        return pad[args];
    }

    memoizedFn.unmemoize = function() {
        return self;
    }

    return memoizedFn;
}

//Now, you can apply the memoized function to a normal fibonacci function like such:
Fib = fib.memoize();

要补充的一点是,由于技术(浏览器安全)限制,记忆函数的参数只能是数组或标量值。没有对象。

参考:http ://talideon.com/weblog/2005/07/javascript-memoization.cfm

于 2009-01-09T00:13:32.267 回答
1

扩展一下Dreas的答案:

1)cache应该从[0, 1]
2) 你做什么开始IterMemoFib(5.5)?( cache[5.5] == undefined)

fibonacci = (function () {
  var FIB = [0, 1];

  return function (x) {
    if ((typeof(x) !== 'number') || (x < 0)) return;
    x = Math.floor(x);

    if (x >= FIB.length)
      for (var i = FIB.length; i <= x; i += 1)
        FIB[i] = FIB[i-1] + FIB[i-2];

    return FIB[x];
  }
})();

alert(fibonacci(17));    // 1597 (FIB => [0, 1, ..., 1597]) (length = 17)
alert(fibonacci(400));   // 1.760236806450138e+83 (finds 18 to 400)
alert(fibonacci(1476));  // 1.3069892237633987e+308 (length = 1476)

如果您不喜欢静默错误:

// replace...
if ((typeof(x) !== 'number') || (x < 0)) return;

// with...
if (typeof(x) !== 'number') throw new TypeError('Not a Number.');
if (x < 0) throw new RangeError('Not a possible fibonacci index. (' + x + ')');
于 2009-01-09T00:57:42.803 回答
1

这是计算斐波那契数列的一个非常快速的解决方案

function fib(n){
    var start = Number(new Date); 
    var field = new Array();
    field[0] = 0;
    field[1] = 1;
    for(var i=2; i<=n; i++)
        field[i] = field[i-2] + field[i-1]
    var end = Number(new Date); 
    return 'fib' + '(' + n + ') = ' + field[n] + ' [' +
        (end - start) + 'ms]';

}

var f = fib(1450)
console.log(f)
于 2012-05-15T23:22:08.953 回答
1

我刚刚编写了自己的小实现,使用 Object 来存储已经计算的结果。我用 Node.JS 编写了它,它需要 2 毫秒(根据我的计时器)来计算 1476 的斐波那契。

以下是精简为纯 Javascript 的代码:

var nums = {}; // Object that stores already computed fibonacci results
function fib(n) { //Function
    var ret; //Variable that holds the return Value
    if (n < 3) return 1; //Fib of 1 and 2 equal 1 => filtered here
    else if (nums.hasOwnProperty(n)) ret = nums[n]; /*if the requested number is 
     already in the object nums, return it from the object, instead of computing */
    else ret = fib( n - 2 ) + fib( n - 1 ); /* if requested number has not
     yet been calculated, do so here */
    nums[n] = ret; // add calculated number to nums objecti
    return ret; //return the value
}

//and finally the function call:
fib(1476)

编辑:我没有尝试在浏览器中运行它!

再次编辑:现在我做到了。试试 jsfiddle:jsfiddle fibonacci时间在 0 到 2ms 之间变化

于 2014-07-02T18:17:52.123 回答
0

更快的算法:

const fib = n => fib[n] || (fib[n-1] = fib(n-1)) + fib[n-2];
fib[0] = 0; // Any number you like
fib[1] = 1; // Any number you like
于 2017-08-21T09:27:08.897 回答