青蛙跳台阶:我如何得知它是一道斐波那契数列题?——应用题破题“三板斧”(二)

简介: 这篇内容是关于解题策略的,主要介绍了在面对应用题时可以采用的“三板斧”方法:举例、模拟和找规律。通过一个走楼梯的例子详细解释了这三个步骤如何运用。首先,举例将抽象问题具体化,比如走5级台阶有几种方式。其次,通过模拟不同情况,例如思考走每一步的可能,发现递归或循环的模式。最后,通过找规律归纳出一般性的解决方案,这里发现走台阶问题与斐波那契数列相关。文章还提到了一个拓展案例——矩形覆盖问题,同样可以用类似的方法分析。总的来说,文章强调了解题过程中理解和转化问题的重要性,以及通过训练提升这方面能力。

青蛙跳台阶:我如何得知它是一道斐波那契数列题?——应用题破题“三板斧”(一)+

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三、破题分析:举例归纳


在应用题上格外适用的三板斧:举例,模拟,找规律。


这么做的目的不是直接写出解题代码,而是确定这个题目想要考什么。这个“考什么”不一定和本题一样,可以归纳成一个具体的考点;但一定能根据题意归纳出对应的功能模块。在确定了功能模块,就不愁不会写代码了。毕竟,代码只是把用中文描述的功能模块的逻辑,“翻译”成计算机能看懂的语言。


一定要自己举例+模拟,或是勤动笔去画图(尤其在数据结构那块)。这样是保证找到的规律最正确的方式,尤其在应用题中格外适用。其实对很多人而言,这三板斧并不是信手拈来的,而是需要经过有意识地训练来得到。


1. 三板斧的使用


小乐乐上课需要走n阶台阶,因为他腿比较长,所以每次可以选择走一阶或者走两阶,那么他一共有多少种走法?


举例


直接假设n为5,一共有5级台阶要走。举例就是直接把未知数具体化,代个值进去。



模拟(必要时画图)


我们可以有两种考虑思路。这两种本文都会详细介绍,不需要刻意死记硬背,选择自己好理解的思路即可。


思路一


我们能很快看出,这是一个带有循环或者递归性质的问题:走楼梯就是一个不断重复的过程,要问走到第5级台阶有几种方法,思路本质上和走第4级、第3级、第2级、第1级有几种方法肯定是一样的。


我们不妨从最后一个(第5级)开始考虑。


1. 当我们走上第5级台阶的时候,我们上一个走过的台阶可能是哪一级?


-- 第4级或第3级,因为题目里说一次可以跨2级也可以跨1级。


2. 走到第5级用了几种办法,可以看作走到第4级的方法数+走到第3级的方法数。


3. 第4级又有可能是从第3级或者第2级踏上来的;


4. 第3级又有可能是从第2级或第1级踏上来的,因此可以画出如下示意图:




此时只需要考虑走到第1级和第2级台阶有多少种方法即可


5. 走到第1级台阶,有1种方法,记为f(1)。(从0开始走1级)


6.走到第2级台阶,有2种方法,记为f(2)。(从0开始走1级,或从0开始走2级)。


那么就有:


f(5) = f(4)+f(3)


f(5) = f(3)+f(2) + f(2)+f(1)


f(5) = f(2)+f(1) + f(2)  +  f(2)+f(1)


已知 f(2) = 2,f(1) = 1,有f(5) = 2+1+2+2+1 = 8,即跨上5级台阶,有8种办法。


至此,我们求出了在具体的一个情境中,这道题的解。下面我们只需要根据该特解,归纳推导出该解的通项即可。


思路二:


首先我们考虑最简单的情况。


如果只有1级台阶,那只有1种跳法。如果有2级台阶,那就有2种跳的方法了:一种是分两次跳,每次跳1级;另外一种就是一次跳2级。即:


f(1) = 1


f(2) = 2


接着我们再来讨论一般情况。 我们把n级台阶时的跳法记为f(n)。 当n>2时,第一次跳的时候就有两种不同的选择:


是第一次只跳1级,此时跳法数目等于后面剩下的n-1级台阶的跳法数目,即为f(n-1);


另外一种选择是第一次跳2级,此时跳法数目等于后面剩下的n-2级台阶的跳法数目,即为f(n-2)。


因此,n级台阶的不同跳法的总数 f(n)=f(n- 1)+f(n 2)。


分析到这里,我们也不难看出这实际上就是斐波那契数列了。


找规律


找规律最简单的方法就是再写几组,然后观察这些情况下台阶数和走上该台阶的方法数之间的关系。不妨将n取作4,取作6再试一试,用同样的思路计算f(4)和f(6)。


当然,其实在分析的过程中我们就已经发现,走上第n级台阶的方法数,就是第(n-1)阶的方法数+第(n-2)阶的方法数。即使重新举例,也不难发现其中有大量重复的步骤。因此我们可以确定如下规律:


当n>2时,f(n) = f(n-1)+f(n-2)


当n<=2 && n>0时,f(n) = n



当然,根据题意n∈[1,30],第0级台阶不考虑


2. 代码展示


#include <stdio.h>
 
int walk(int n)
{
    if (n <= 2)
        return n;
    else
        return walk(n - 1) + walk(n - 2);
}
 
int main()
{
    int n = 0;
    scanf("%d", &n);
    int ret = walk(n);
    printf("%d\n", ret);
 
    return 0;
}


我们经过分析发现,台阶问题的解法确实和斐波那契数列的算法相同。因而也不奇怪为什么台阶问题看似和兔子问题毫无关系,但实质上是同一类问题了。


四、拓展用例:矩形覆盖问题


题干如下


我们可以用 2x1 (下图的左边)的小矩形横着或者竖着去覆盖更大的矩形。

请问用8个 2x1 的小矩形无重叠地覆盖一个 2x8 的大矩形(下图矩形的右边),总共有多少种方法?




三板斧的使用


举例


本题中不需要特别的去举例,因为题干已经明确了最终的大矩形是由8个小矩形拼成的。换句话说,确定了n = 8.


模拟


这道题我们介绍一种思路。和上面的题目大同小异。


我们先把 2x8 的覆盖方法记为f(8)。


用第一个1x2小矩形去覆盖大矩形的最右边时,有两个选择:竖着放或者横着放。



当其中一个竖着放的时候,左边还剩下2x7的区域,这种情形下的覆盖方法记为f(7)。



接下来考虑横着放的情况。当1x2的小矩形横着放在右上角的时候,右下角必须和横着放一个1x2的小矩形,而在左边还还剩下2x6的区域,这种情形下的覆盖方法记为f(6)。




找规律


根据如上模拟,有:f(8)= f(7)+ f(6),即2*8的矩形覆盖的方法等于2*7的矩形方法 + 2*6的矩形方法。


此时我们可以看出,这仍然是斐波那契数列。


五、总结


  1. 牢记题干分析三板斧:举例 + 模拟(画图)+ 找规律。这是一个将抽象的题干转化为具象的功能模型的过程。大家曾经接触过的很多题目,如动态打印菱形、排序问题等,都可以用这样的分析方法解决。而本文以斐波那契数列的相关题目为例,介绍了这个分析方法。
  2. 切记死记硬背。第一次遇到问题,分析不准确很正常。在相同的题型归纳总结的过程中,我们要有意识地去提高分析问题的能力,就好比今天的题目种,我们要做的是通过分析,分析出它是斐波那契数列模型,而不是知道一些这是斐波那契数列可以做的,而努力去套。这样容易混乱。
  3. 斐波那契数列问题的模拟环节,可以从最简单的情况入手:n为1。虽然在台阶问题种介绍了两种思路,但相比起来,那其中的第二种思路是更通用更好想一些的。倒推的思路在台阶问题中非常容易,在下面的矩形问题中,便不再好用了。
  4. 三板斧听着简单,实际上很多人并不熟悉。对于初学者而言,这样培养题感是很不错的,等到熟练起来了,三板斧将会化为“内功”。注意:画图这个环节是非常重要的,不要因为懒或者图省事就直接上手敲。






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