如何使用矩阵快速幂方法在C语言中计算斐波那契数列的前n项平方和,并考虑结果对1e9 + 7取余运算?
时间: 2024-12-06 18:25:41 浏览: 20

C语言程序设计-用函数求fibonacci数列前n项的和;说明:fibonacci数列为数列的第一项值为1,第二项

在C语言中,我们可以使用矩阵快速幂(Matrix Exponentiation)方法结合斐波那契数列的性质来计算前n项的平方和。斐波那契数列的特点是每个数字等于前两个数字之和,可以表示为一个2x2矩阵的形式。以下是步骤:
1. 定义矩阵乘法:
- 创建一个2x2的矩阵A = [[1, 1], [1, 0]],这代表了斐波那契数列的基本递推关系。
2. 矩阵快速幂算法:
- 设定初始矩阵B = [[1, 0], [0, 1]],表示初始状态(前两项都是1)。
- 计算A的n次方,这个过程可以利用分治策略,将大指数分解为小指数相乘,比如通过辗转相除法找出模下的指数对。
3. 逐步更新矩阵:
- 每当A^k的结果出现,将其与B相乘,更新B为B * (A^k),直到计算到A^n。
4. 最终结果:
- B的第一行第一列元素就是F(n)²,其中F(n)是第n个斐波那契数。为了得到前n项的平方和,我们需要加上其他项的平方(从第二项开始),即F(n+1)² - 1。
5. 取模运算:
- 在整个过程中,所有的加法和乘法都需要对1e9 + 7取模,以防止整数溢出。
下面是一个简单的伪代码实现:
```c
typedef long long ll;
ll matrix_multiply(ll a[2][2], ll b[2][2]) {
// 实现矩阵乘法
}
void matrix_power(ll a[2][2], ll n, ll result[2][2]) {
result[0][0] = result[0][1] = result[1][0] = result[1][1] = 1;
while (n > 0) {
if (n % 2 == 1) {
result = matrix_multiply(result, a);
}
a = matrix_multiply(a, a);
n /= 2;
}
}
ll fibonacci_square_sum(int n) {
ll fibs[2][2] = {{1, 1}, {1, 0}};
ll ans[2][2];
matrix_power(fibs, n - 1, ans); // 因为题目要求的是前n项的平方和,所以是n-1次方
return ((ans[0][0] * ans[0][0] + ans[0][1] * ans[1][0]) % 1000000007);
}
int main() {
int n;
scanf("%d", &n);
printf("The sum of squares of the first %d Fibonacci numbers is %lld\n", n, fibonacci_square_sum(n));
}
```
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