斐波那契查找

斐波那契查找

黄金比例又称黄金分割，是指事物各部分间一定的数学比例关系，即将整体一分为二，较大部分与较小部分之比等于整体与较大部分之比，其比值约为1:0.618或1.618:1。

0.618被公认为最具有审美意义的比例数字，这个数值的作用不仅仅体现在诸如绘画、雕塑、音乐、建筑等艺术领域，而且在管理、工程设计等方面也有着不可忽视的作用。因此被称为黄金分割。

大家记不记得斐波那契数列：1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89…….（从第三个数开始，后边每一个数都是前两个数的和）。然后我们会发现，随着斐波那契数列的递增，前后两个数的比值会越来越接近0.618，利用这个特性，我们就可以将黄金比例运用到查找技术中。

斐波那契查找的前提是待查找的查找表必须顺序存储并且有序。

    相对于折半查找，一般将待比较的key值与第mid=（low+high）/2位置的元素比较，比较结果分三种情况

     1）相等,mid位置的元素即为所求

     2）>     ,low=mid+1;

     3)  <     ,high=mid-1;

   斐波那契查找与折半查找很相似，他是根据斐波那契序列的特点对有序表进行分割的。他要求开始表中记录的个数为某个斐波那契数小1，及n=Fk-1;

 开始将k值与第F(k-1）位置的记录进行比较(及mid=low+F(k-1)-1),比较结果也分为三种

 1）相等，mid位置的元素即为所求

 2）>   ,low=mid+1,k-=2;

说明:low=mid+1说明待查找的元素在[mid+1,hign]范围内，k-=2 说明范围[mid+1,high]内的元素个数为n-（F(k-1))= Fk-1-F(k-1)=Fk-F(k-1)-1=F(k-2)-1个，所以可以递归的应用斐波那契查找

 3)<    ,high=mid-1,k-=1;

说明:low=mid+1说明待查找的元素在[low,mid-1]范围内，k-=1 说明范围[low,mid-1]内的元素个数为F(k-1)-1

 

个，所以可以递归 的应用斐波那契查找

// 斐波那契查找.cpp 

#include "stdafx.h"
#include <memory>
#include  <iostream>
using namespace std;

const int max_size=20;//斐波那契数组的长度

/*构造一个斐波那契数组*/ 
void Fibonacci(int * F)
{
	F[0]=0;
	F[1]=1;
	for(int i=2;i<max_size;++i)
		F[i]=F[i-1]+F[i-2];
}

/*定义斐波那契查找法*/  
int Fibonacci_Search(int *a, int n, int key)  //a为要查找的数组,n为要查找的数组长度,key为要查找的关键字
{
  int low=0;
  int high=n-1;
  
  int F[max_size];
  Fibonacci(F);//构造一个斐波那契数组F 

  int k=0;
  while(n>F[k]-1)//计算n位于斐波那契数列的位置
	  ++k;

  int  * temp;//将数组a扩展到F[k]-1的长度
  temp=new int [F[k]-1];
  memcpy(temp,a,n*sizeof(int));

  for(int i=n;i<F[k]-1;++i)
     temp[i]=a[n-1];
  
  while(low<=high)
  {
    int mid=low+F[k-1]-1;
	if(key<temp[mid])
	{
      high=mid-1;
	  k-=1;
	}
	else if(key>temp[mid])
	{
     low=mid+1;
	 k-=2;
	}
	else
	{
       if(mid<n)
		   return mid; //若相等则说明mid即为查找到的位置
	   else
		   return n-1; //若mid>=n则说明是扩展的数值,返回n-1
	}
  }  
  delete [] temp;
  return -1;
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	int a[] = {0,16,24,35,47,59,62,73,88,99};
	int key=100;
	int index=Fibonacci_Search(a,sizeof(a)/sizeof(int),key);
	cout<<key<<" is located at:"<<index;
	system("PAUSE");
	return 0;
}

解析：

首先要明确：如果一个有序表的元素个数为n,并且n正好是（某个斐波那契数 - 1），即n=F[k]-1时，才能用斐波那契查找法。 如果有序表的元素个n不等于（某个斐波那契数 - 1），即n≠F[k]-1，这时必须要将有序表的元素扩展到大于n的那个斐波那契数 - 1才行，这段代码：for (int i = n; i < F[k] - 1; i++) { a[i] = a[high]; }便是这个作用。

下面回答第一个问题：看完上面所述应该知道①是为什么了吧。 查找n在斐波那契数列中的位置，为什么是F[k] - 1,而不是F[k]，是因为能否用斐波那契查找法是由F[k]-1决定的，而不是F[k]。如果暂时不理解，继续看下面。

第 二个问题：a的长度其实很好估算，比如你定义了有10个元素的有序数组a[20]，n=10，那么n就位于8和13，即F[6]和F[7]之间，所以 k=7，此时数组a的元素个数要被扩充，为：F[7] - 1 = 12个； 再如你定义了一个b[20]，且b有12个元素，即n=12,那么很好办了，n = F[7]-1 = 12, 用不着扩充了； 又或者n=8或9或11，则它一定会被扩充到12； 再如你举的例子，n=13，最后得出n位于13和21，即F[7]和F[8]之间，此时k=8，那么F[8]-1 = 20,数组a就要有20个元素了。 所以，n = x（13<=x<=20）时，最后都要被扩充到20；类推，如果n=25呢，则数组a的元素个数肯定要被扩充到 34 - 1 = 33个（25位于21和34，即F[8]和F[9]之间，此时k=9，F[9]-1 = 33），所以，n = x（21<=x<=33）时，最后都要被扩充到33。也就是说，最后数组的元素个数一定是（某个斐波那契数 - 1），这就是一开始说的n与F[k]-1的关系。

第三个问题:对于二分查找，分割是从mid= (low+high)/2开始；而对于斐波那契查找，分割是从mid = low + F[k-1] - 1开始的； 通过上面知道了，数组a现在的元素个数为F[k]-1个，即数组长为F[k]-1，mid把数组分成了左右两部分， 左边的长度为：F[k-1] - 1， 那么右边的长度就为（数组长-左边的长度-1）， 即：（F[k]-1） - （F[k-1] - 1） = F[k] - F[k-1] - 1 = F[k-2] - 1。

 斐波那契查找的核心是：

 1）当key=a[mid]时，查找成功；

 2）当keya[mid]时，新的查找范围是第mid+1个到第high个，此时范围个数为F[k-2] - 1个，即数组右边的长度，所以要在[F[k - 2] - 1，high]范围内查找。