LeetCode-Book/leetbook_ioa/docs/LCR 126. 斐波那契数.md

解题思路：

斐波那契数列的定义是 f(n + 1) = f(n) + f(n - 1) ，生成第 n 项的做法有以下几种：

1. 递归：
   • 原理： 把 f(n) 问题的计算拆分成 f(n-1) 和 f(n-2) 两个子问题的计算，并递归，以 f(0) 和 f(1) 为终止条件。
   • 缺点： 大量重复的递归计算，例如 f(n) 和 f(n - 1) 两者向下递归需要 各自计算 f(n - 2) 的值。
2. 记忆化递归：
   • 原理： 在递归的基础上，新建一个长度为 n 的数组，用于在递归时存储 f(0) 至 f(n) 的数字值，重复遇到某数字则直接从数组取用，避免了重复的递归计算。
   • 缺点： 记忆化存储需要使用 O(N) 的额外空间。
3. 动态规划：
   • 原理： 以斐波那契数列性质 f(n + 1) = f(n) + f(n - 1) 为转移方程。
   • 从计算效率、空间复杂度上看，动态规划是本题的最佳解法。

下图帮助理解递归的 “重复计算” 概念。

{:align=center width=500}

动态规划解析：

• 状态定义： 设 dp 为一维数组，其中 dp[i] 的值代表 斐波那契数列第 i 个数字 。
• 转移方程： dp[i + 1] = dp[i] + dp[i - 1] ，即对应数列定义 f(n + 1) = f(n) + f(n - 1) ；
• 初始状态： dp[0] = 0, dp[1] = 1 ，即初始化前两个数字；
• 返回值： dp[n] ，即斐波那契数列的第 n 个数字。

空间优化：

若新建长度为 n 的 dp 列表，则空间复杂度为 O(N) 。

• 由于 dp 列表第 i 项只与第 i-1 和第 i-2 项有关，因此只需要初始化三个整形变量 sum, a, b ，利用辅助变量 sum 使 a, b 两数字交替前进即可 （具体实现见代码） 。
• 节省了 dp 列表空间，因此空间复杂度降至 O(1) 。

循环求余法：

大数越界： 随着 n 增大, f(n) 会超过 Int32 甚至 Int64 的取值范围，导致最终的返回值错误。

• 求余运算规则： 设正整数 x, y, p ，求余符号为 \odot ，则有 (x + y) \odot p = (x \odot p + y \odot p) \odot p 。
• 解析： 根据以上规则，可推出 f(n) \odot p = [f(n-1) \odot p + f(n-2) \odot p] \odot p ，从而可以在循环过程中每次计算 sum = (a + b) \odot 1000000007 ，此操作与最终返回前取余等价。

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代码：

class Solution:
    def fib(self, n: int) -> int:
        a, b = 0, 1
        for _ in range(n):
            a, b = b, (a + b) % 1000000007
        return a

class Solution {
    public int fib(int n) {
        int a = 0, b = 1, sum;
        for(int i = 0; i < n; i++){
            sum = (a + b) % 1000000007;
            a = b;
            b = sum;
        }
        return a;
    }
}

class Solution {
public:
    int fib(int n) {
        int a = 0, b = 1, sum;
        for(int i = 0; i < n; i++){
            sum = (a + b) % 1000000007;
            a = b;
            b = sum;
        }
        return a;
    }
};

由于 Python 中整形数字的大小限制取决计算机的内存（可理解为无限大），因此也可不考虑大数越界问题；但当数字很大时，加法运算的效率也会降低，因此不推荐此方法。

# 不考虑大数越界问题
class Solution:
    def fib(self, n: int) -> int:
        a, b = 0, 1
        for _ in range(n):
            a, b = b, a + b
        return a % 1000000007

复杂度分析：

• 时间复杂度 O(n) ： 计算 f(n) 需循环 n 次，每轮循环内计算操作使用 O(1) 。
• 空间复杂度 O(1) ： 几个标志变量使用常数大小的额外空间。