高精度計算(High-Precision_Calculation)
在說高精度加減乘除運算之前,我們先搞明白什麼是高精度運算?
實際上高精度就是說參與運算的資料和運算結果的範圍,超出標準資料型別能表示的資料大小範圍的運算。這個時候,如果要得到正確的計算結果,顯然不能依靠普通方法實現了。而要在普通運算原理的基礎上,加以輔助演算法來實現超大資料的計算。例如:求兩個100位的資料的和,或者計算兩個100位的數字乘積。這時就要用到高精度演算法了。
一、高精度加法
高精度加法的實現原理:
1、計算結果的位數
358934760892734899共18位
38960302975237462共17位
故結果不會超過19位。
2、將要計算的數字分割成多段,按照順序排列(這裡以0-32767作為每一儲存單位儲存的數的限制):
(為提高空間利用效率,可以一個儲存單位儲存多位數。)
3、將兩數相加。
4、輸出結果。
從高位到低位依次輸出。除最高位以外,其他低位上不足4位的要在前面補上0。
5、程式碼示例:
#include<iostream> #include<cstring> #include<algorithm> using namespace std; const int L=110; string add(string a,string b)//只限兩個非負整數相加 { string ans; int na[L]={0},nb[L]={0}; int la=a.size(),lb=b.size(); for(int i=0;i<la;i++) na[la-1-i]=a[i]-'0'; for(int i=0;i<lb;i++) nb[lb-1-i]=b[i]-'0'; int lmax=la>lb?la:lb; for(int i=0;i<lmax;i++) na[i]+=nb[i],na[i+1]+=na[i]/10,na[i]%=10; if(na[lmax]) lmax++; for(int i=lmax-1;i>=0;i--) ans+=na[i]+'0'; return ans; } int main() { string a,b; while(cin>>a>>b) cout<<add(a,b)<<endl; return 0; }
6、例題
https://www.luogu.org/problemnew/show/P1601
http://acm.hdu.edu.cn/showproblem.php?pid=1002
二、高精度減法
高精度減法的實現原理:
1、高精度減法相比高精度加法來說,稍微複雜一點,因為減法在差為負數時處理的細節更多一點:當被減數小於減數時,差為負數,差的絕對值是減數減去被減數;在程式實現上用一個變數來儲存符號位,用另一個數組存差的絕對值。
2、實現流程
(1).先比較大小
(2).決定輸出符號,為正還是為負
(3).按位減法,並注意處理借位
3、程式碼示例:
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int L=110;
string sub(string a,string b)//只限大的非負整數減小的非負整數
{
string ans;
int na[L]={0},nb[L]={0};
int la=a.size(),lb=b.size();
for(int i=0;i<la;i++) na[la-1-i]=a[i]-'0';
for(int i=0;i<lb;i++) nb[lb-1-i]=b[i]-'0';
int lmax=la>lb?la:lb;
for(int i=0;i<lmax;i++)
{
na[i]-=nb[i];
if(na[i]<0) na[i]+=10,na[i+1]--;
}
while(!na[--lmax]&&lmax>0) ;lmax++;
for(int i=lmax-1;i>=0;i--) ans+=na[i]+'0';
return ans;
}
int main()
{
string a,b;
while(cin>>a>>b) cout<<sub(a,b)<<endl;
return 0;
}
6、例題
https://www.luogu.org/problemnew/show/P2142
三、高精度乘法
高精度乘法實現原理:
1、由於數字較大,無法使用簡單的資料結構進行儲存,選用陣列和字串來儲存數字,字串方便我們對於高位整數的輸入,而整形陣列的簡便有利於每個位數的計算,結合兩者優點便可實現高精度乘法。
2、實現過程:
(1).通過兩個字串輸入兩個整數
(2).引入兩個陣列,將每個整數切割儲存到數組裡面
(3).進行每一位的運算
(4).處理進位
(5).輸出結果
3、高精度乘高精度的樸素演算法
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int L=110;
string mul(string a,string b)//高精度乘法a,b,均為非負整數
{
string s;
int na[L],nb[L],nc[L],La=a.size(),Lb=b.size();//na儲存被乘數,nb儲存乘數,nc儲存積
fill(na,na+L,0);fill(nb,nb+L,0);fill(nc,nc+L,0);//將na,nb,nc都置為0
for(int i=La-1;i>=0;i--) na[La-i]=a[i]-'0';//將字串表示的大整形數轉成i整形陣列表示的大整形數
for(int i=Lb-1;i>=0;i--) nb[Lb-i]=b[i]-'0';
for(int i=1;i<=La;i++)
for(int j=1;j<=Lb;j++)
nc[i+j-1]+=na[i]*nb[j];//a的第i位乘以b的第j位為積的第i+j-1位(先不考慮進位)
for(int i=1;i<=La+Lb;i++)
nc[i+1]+=nc[i]/10,nc[i]%=10;//統一處理進位
if(nc[La+Lb]) s+=nc[La+Lb]+'0';//判斷第i+j位上的數字是不是0
for(int i=La+Lb-1;i>=1;i--)
s+=nc[i]+'0';//將整形陣列轉成字串
return s;
}
int main()
{
string a,b;
while(cin>>a>>b) cout<<mul(a,b)<<endl;
return 0;
}
5、高精度乘高精度FFT優化演算法
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <cmath>
#include <map>
#include <queue>
#include <set>
#include <vector>
using namespace std;
#define L(x) (1 << (x))
const double PI = acos(-1.0);
const int Maxn = 133015;
double ax[Maxn], ay[Maxn], bx[Maxn], by[Maxn];
char sa[Maxn/2],sb[Maxn/2];
int sum[Maxn];
int x1[Maxn],x2[Maxn];
int revv(int x, int bits)
{
int ret = 0;
for (int i = 0; i < bits; i++)
{
ret <<= 1;
ret |= x & 1;
x >>= 1;
}
return ret;
}
void fft(double * a, double * b, int n, bool rev)
{
int bits = 0;
while (1 << bits < n) ++bits;
for (int i = 0; i < n; i++)
{
int j = revv(i, bits);
if (i < j)
swap(a[i], a[j]), swap(b[i], b[j]);
}
for (int len = 2; len <= n; len <<= 1)
{
int half = len >> 1;
double wmx = cos(2 * PI / len), wmy = sin(2 * PI / len);
if (rev) wmy = -wmy;
for (int i = 0; i < n; i += len)
{
double wx = 1, wy = 0;
for (int j = 0; j < half; j++)
{
double cx = a[i + j], cy = b[i + j];
double dx = a[i + j + half], dy = b[i + j + half];
double ex = dx * wx - dy * wy, ey = dx * wy + dy * wx;
a[i + j] = cx + ex, b[i + j] = cy + ey;
a[i + j + half] = cx - ex, b[i + j + half] = cy - ey;
double wnx = wx * wmx - wy * wmy, wny = wx * wmy + wy * wmx;
wx = wnx, wy = wny;
}
}
}
if (rev)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
a[i] /= n, b[i] /= n;
}
}
int solve(int a[],int na,int b[],int nb,int ans[])
{
int len = max(na, nb), ln;
for(ln=0; L(ln)<len; ++ln);
len=L(++ln);
for (int i = 0; i < len ; ++i)
{
if (i >= na) ax[i] = 0, ay[i] =0;
else ax[i] = a[i], ay[i] = 0;
}
fft(ax, ay, len, 0);
for (int i = 0; i < len; ++i)
{
if (i >= nb) bx[i] = 0, by[i] = 0;
else bx[i] = b[i], by[i] = 0;
}
fft(bx, by, len, 0);
for (int i = 0; i < len; ++i)
{
double cx = ax[i] * bx[i] - ay[i] * by[i];
double cy = ax[i] * by[i] + ay[i] * bx[i];
ax[i] = cx, ay[i] = cy;
}
fft(ax, ay, len, 1);
for (int i = 0; i < len; ++i)
ans[i] = (int)(ax[i] + 0.5);
return len;
}
string mul(string sa,string sb)
{
int l1,l2,l;
int i;
string ans;
memset(sum, 0, sizeof(sum));
l1 = sa.size();
l2 = sb.size();
for(i = 0; i < l1; i++)
x1[i] = sa[l1 - i - 1]-'0';
for(i = 0; i < l2; i++)
x2[i] = sb[l2-i-1]-'0';
l = solve(x1, l1, x2, l2, sum);
for(i = 0; i<l || sum[i] >= 10; i++) // 進位
{
sum[i + 1] += sum[i] / 10;
sum[i] %= 10;
}
l = i;
while(sum[l] <= 0 && l>0) l--; // 檢索最高位
for(i = l; i >= 0; i--) ans+=sum[i] + '0'; // 倒序輸出
return ans;
}
int main()
{
cin.sync_with_stdio(false);
string a,b;
while(cin>>a>>b) cout<<mul(a,b)<<endl;
return 0;
}
6、高精度乘單精度
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int L=100005;
int na[L];
string mul(string a,int b)//高精度a乘單精度b
{
string ans;
int La=a.size();
fill(na,na+L,0);
for(int i=La-1;i>=0;i--) na[La-i-1]=a[i]-'0';
int w=0;
for(int i=0;i<La;i++) na[i]=na[i]*b+w,w=na[i]/10,na[i]=na[i]%10;
while(w) na[La++]=w%10,w/=10;
La--;
while(La>=0) ans+=na[La--]+'0';
return ans;
}
int main()
{
string a;
int b;
while(cin>>a>>b) cout<<mul(a,b)<<endl;
return 0;
}
7、例題
https://www.luogu.org/problemnew/show/P1303
四、高精度除法
1、高精度除高精度
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int L=110;
int sub(int *a,int *b,int La,int Lb)
{
if(La<Lb) return -1;//如果a小於b,則返回-1
if(La==Lb)
{
for(int i=La-1;i>=0;i--)
if(a[i]>b[i]) break;
else if(a[i]<b[i]) return -1;//如果a小於b,則返回-1
}
for(int i=0;i<La;i++)//高精度減法
{
a[i]-=b[i];
if(a[i]<0) a[i]+=10,a[i+1]--;
}
for(int i=La-1;i>=0;i--)
if(a[i]) return i+1;//返回差的位數
return 0;//返回差的位數
}
string div(string n1,string n2,int nn)//n1,n2是字串表示的被除數,除數,nn是選擇返回商還是餘數
{
string s,v;//s存商,v存餘數
int a[L],b[L],r[L],La=n1.size(),Lb=n2.size(),i,tp=La;//a,b是整形陣列表示被除數,除數,tp儲存被除數的長度
fill(a,a+L,0);fill(b,b+L,0);fill(r,r+L,0);//陣列元素都置為0
for(i=La-1;i>=0;i--) a[La-1-i]=n1[i]-'0';
for(i=Lb-1;i>=0;i--) b[Lb-1-i]=n2[i]-'0';
if(La<Lb || (La==Lb && n1<n2)) {
//cout<<0<<endl;
return n1;}//如果a<b,則商為0,餘數為被除數
int t=La-Lb;//除被數和除數的位數之差
for(int i=La-1;i>=0;i--)//將除數擴大10^t倍
if(i>=t) b[i]=b[i-t];
else b[i]=0;
Lb=La;
for(int j=0;j<=t;j++)
{
int temp;
while((temp=sub(a,b+j,La,Lb-j))>=0)//如果被除數比除數大繼續減
{
La=temp;
r[t-j]++;
}
}
for(i=0;i<L-10;i++) r[i+1]+=r[i]/10,r[i]%=10;//統一處理進位
while(!r[i]) i--;//將整形陣列表示的商轉化成字串表示的
while(i>=0) s+=r[i--]+'0';
//cout<<s<<endl;
i=tp;
while(!a[i]) i--;//將整形陣列表示的餘數轉化成字串表示的</span>
while(i>=0) v+=a[i--]+'0';
if(v.empty()) v="0";
//cout<<v<<endl;
if(nn==1) return s;
if(nn==2) return v;
}
int main()
{
string a,b;
while(cin>>a>>b) cout<<div(a,b,1)<<endl;
return 0;
}
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
string div(string a,int b)//高精度a除以單精度b
{
string r,ans;
int d=0;
if(a=="0") return a;//特判
for(int i=0;i<a.size();i++)
{
r+=(d*10+a[i]-'0')/b+'0';//求出商
d=(d*10+(a[i]-'0'))%b;//求出餘數
}
int p=0;
for(int i=0;i<r.size();i++)
if(r[i]!='0') {p=i;break;}
return r.substr(p);
}
int main()
{
string a;
int b;
while(cin>>a>>b)
{
cout<<div(a,b)<<endl;
}
return 0;
}
五、高精度取模
1、高精度對高精度取模
(已在高精度除高精度中實現,此處不再贅述)
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
int mod(string a,int b)//高精度a除以單精度b
{
int d=0;
for(int i=0;i<a.size();i++) d=(d*10+(a[i]-'0'))%b;//求出餘數
return d;
}
int main()
{
string a;
int b;
while(cin>>a>>b)
{
cout<<mod(a,b)<<endl;
}
return 0;
}
六、高精度階乘
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int L=100005;
int a[L];
string fac(int n)
{
string ans;
if(n==0) return "1";
fill(a,a+L,0);
int s=0,m=n;
while(m) a[++s]=m%10,m/=10;
for(int i=n-1;i>=2;i--)
{
int w=0;
for(int j=1;j<=s;j++) a[j]=a[j]*i+w,w=a[j]/10,a[j]=a[j]%10;
while(w) a[++s]=w%10,w/=10;
}
while(!a[s]) s--;
while(s>=1) ans+=a[s--]+'0';
return ans;
}
int main()
{
int n;
while(cin>>n) cout<<fac(n)<<endl;
return 0;
}
七、高精度冪
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
#include <cstring>
#include <cmath>
#include <map>
#include <queue>
#include <set>
#include <vector>
using namespace std;
#define L(x) (1 << (x))
const double PI = acos(-1.0);
const int Maxn = 133015;
double ax[Maxn], ay[Maxn], bx[Maxn], by[Maxn];
char sa[Maxn/2],sb[Maxn/2];
int sum[Maxn];
int x1[Maxn],x2[Maxn];
int revv(int x, int bits)
{
int ret = 0;
for (int i = 0; i < bits; i++)
{
ret <<= 1;
ret |= x & 1;
x >>= 1;
}
return ret;
}
void fft(double * a, double * b, int n, bool rev)
{
int bits = 0;
while (1 << bits < n) ++bits;
for (int i = 0; i < n; i++)
{
int j = revv(i, bits);
if (i < j)
swap(a[i], a[j]), swap(b[i], b[j]);
}
for (int len = 2; len <= n; len <<= 1)
{
int half = len >> 1;
double wmx = cos(2 * PI / len), wmy = sin(2 * PI / len);
if (rev) wmy = -wmy;
for (int i = 0; i < n; i += len)
{
double wx = 1, wy = 0;
for (int j = 0; j < half; j++)
{
double cx = a[i + j], cy = b[i + j];
double dx = a[i + j + half], dy = b[i + j + half];
double ex = dx * wx - dy * wy, ey = dx * wy + dy * wx;
a[i + j] = cx + ex, b[i + j] = cy + ey;
a[i + j + half] = cx - ex, b[i + j + half] = cy - ey;
double wnx = wx * wmx - wy * wmy, wny = wx * wmy + wy * wmx;
wx = wnx, wy = wny;
}
}
}
if (rev)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
a[i] /= n, b[i] /= n;
}
}
int solve(int a[],int na,int b[],int nb,int ans[])
{
int len = max(na, nb), ln;
for(ln=0; L(ln)<len; ++ln);
len=L(++ln);
for (int i = 0; i < len ; ++i)
{
if (i >= na) ax[i] = 0, ay[i] =0;
else ax[i] = a[i], ay[i] = 0;
}
fft(ax, ay, len, 0);
for (int i = 0; i < len; ++i)
{
if (i >= nb) bx[i] = 0, by[i] = 0;
else bx[i] = b[i], by[i] = 0;
}
fft(bx, by, len, 0);
for (int i = 0; i < len; ++i)
{
double cx = ax[i] * bx[i] - ay[i] * by[i];
double cy = ax[i] * by[i] + ay[i] * bx[i];
ax[i] = cx, ay[i] = cy;
}
fft(ax, ay, len, 1);
for (int i = 0; i < len; ++i)
ans[i] = (int)(ax[i] + 0.5);
return len;
}
string mul(string sa,string sb)
{
int l1,l2,l;
int i;
string ans;
memset(sum, 0, sizeof(sum));
l1 = sa.size();
l2 = sb.size();
for(i = 0; i < l1; i++)
x1[i] = sa[l1 - i - 1]-'0';
for(i = 0; i < l2; i++)
x2[i] = sb[l2-i-1]-'0';
l = solve(x1, l1, x2, l2, sum);
for(i = 0; i<l || sum[i] >= 10; i++) // 進位
{
sum[i + 1] += sum[i] / 10;
sum[i] %= 10;
}
l = i;
while(sum[l] <= 0 && l>0) l--; // 檢索最高位
for(i = l; i >= 0; i--) ans+=sum[i] + '0'; // 倒序輸出
return ans;
}
string Pow(string a,int n)
{
if(n==1) return a;
if(n&1) return mul(Pow(a,n-1),a);
string ans=Pow(a,n/2);
return mul(ans,ans);
}
int main()
{
cin.sync_with_stdio(false);
string a;
int b;
while(cin>>a>>b) cout<<Pow(a,b)<<endl;
return 0;
}
八、高精度GCD
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<algorithm>
using namespace std;
const int L=110;
string add(string a,string b)
{
string ans;
int na[L]={0},nb[L]={0};
int la=a.size(),lb=b.size();
for(int i=0;i<la;i++) na[la-1-i]=a[i]-'0';
for(int i=0;i<lb;i++) nb[lb-1-i]=b[i]-'0';
int lmax=la>lb?la:lb;
for(int i=0;i<lmax;i++) na[i]+=nb[i],na[i+1]+=na[i]/10,na[i]%=10;
if(na[lmax]) lmax++;
for(int i=lmax-1;i>=0;i--) ans+=na[i]+'0';
return ans;
}
string mul(string a,string b)
{
string s;
int na[L],nb[L],nc[L],La=a.size(),Lb=b.size();//na儲存被乘數,nb儲存乘數,nc儲存積
fill(na,na+L,0);fill(nb,nb+L,0);fill(nc,nc+L,0);//將na,nb,nc都置為0
for(int i=La-1;i>=0;i--) na[La-i]=a[i]-'0';//將字串表示的大整形數轉成i整形陣列表示的大整形數
for(int i=Lb-1;i>=0;i--) nb[Lb-i]=b[i]-'0';
for(int i=1;i<=La;i++)
for(int j=1;j<=Lb;j++)
nc[i+j-1]+=na[i]*nb[j];//a的第i位乘以b的第j位為積的第i+j-1位(先不考慮進位)
for(int i=1;i<=La+Lb;i++)
nc[i+1]+=nc[i]/10,nc[i]%=10;//統一處理進位
if(nc[La+Lb]) s+=nc[La+Lb]+'0';//判斷第i+j位上的數字是不是0
for(int i=La+Lb-1;i>=1;i--)
s+=nc[i]+'0';//將整形陣列轉成字串
return s;
}
int sub(int *a,int *b,int La,int Lb)
{
if(La<Lb) return -1;//如果a小於b,則返回-1
if(La==Lb)
{
for(int i=La-1;i>=0;i--)
if(a[i]>b[i]) break;
else if(a[i]<b[i]) return -1;//如果a小於b,則返回-1
}
for(int i=0;i<La;i++)//高精度減法
{
a[i]-=b[i];
if(a[i]<0) a[i]+=10,a[i+1]--;
}
for(int i=La-1;i>=0;i--)
if(a[i]) return i+1;//返回差的位數
return 0;//返回差的位數
}
string div(string n1,string n2,int nn)//n1,n2是字串表示的被除數,除數,nn是選擇返回商還是餘數
{
string s,v;//s存商,v存餘數
int a[L],b[L],r[L],La=n1.size(),Lb=n2.size(),i,tp=La;//a,b是整形陣列表示被除數,除數,tp儲存被除數的長度
fill(a,a+L,0);fill(b,b+L,0);fill(r,r+L,0);//陣列元素都置為0
for(i=La-1;i>=0;i--) a[La-1-i]=n1[i]-'0';
for(i=Lb-1;i>=0;i--) b[Lb-1-i]=n2[i]-'0';
if(La<Lb || (La==Lb && n1<n2)) {
//cout<<0<<endl;
return n1;}//如果a<b,則商為0,餘數為被除數
int t=La-Lb;//除被數和除數的位數之差
for(int i=La-1;i>=0;i--)//將除數擴大10^t倍
if(i>=t) b[i]=b[i-t];
else b[i]=0;
Lb=La;
for(int j=0;j<=t;j++)
{
int temp;
while((temp=sub(a,b+j,La,Lb-j))>=0)//如果被除數比除數大繼續減
{
La=temp;
r[t-j]++;
}
}
for(i=0;i<L-10;i++) r[i+1]+=r[i]/10,r[i]%=10;//統一處理進位
while(!r[i]) i--;//將整形陣列表示的商轉化成字串表示的
while(i>=0) s+=r[i--]+'0';
//cout<<s<<endl;
i=tp;
while(!a[i]) i--;//將整形陣列表示的餘數轉化成字串表示的</span>
while(i>=0) v+=a[i--]+'0';
if(v.empty()) v="0";
//cout<<v<<endl;
if(nn==1) return s;
if(nn==2) return v;
}
bool judge(string s)//判斷s是否為全0串
{
for(int i=0;i<s.size();i++)
if(s[i]!='0') return false;
return true;
}
string gcd(string a,string b)//求最大公約數
{
string t;
while(!judge(b))//如果餘數不為0,繼續除
{
t=a;//儲存被除數的值
a=b;//用除數替換被除數
b=div(t,b,2);//用餘數替換除數
}
return a;
}
int main()
{
cin.sync_with_stdio(false);
string a,b;
while(cin>>a>>b) cout<<gcd(a,b)<<endl;
return 0;
}
九、高精度進位制轉換
#include<iostream>
#include<algorithm>
using namespace std;
//將字串表示的10進位制大整數轉換為m進位制的大整數
//並返回m進位制大整數的字串
bool judge(string s)//判斷串是否為全零串
{
for(int i=0;i<s.size();i++)
if(s[i]!='0') return 1;
return 0;
}
string solve(string s,int n,int m)//n進位制轉m進位制只限0-9進位制,若涉及帶字母的進位制,稍作修改即可
{
string r,ans;
int d=0;
if(!judge(s)) return "0";//特判
while(judge(s))//被除數不為0則繼續
{
for(int i=0;i<s.size();i++)
{
r+=(d*n+s[i]-'0')/m+'0';//求出商
d=(d*n+(s[i]-'0'))%m;//求出餘數
}
s=r;//把商賦給下一次的被除數
r="";//把商清空
ans+=d+'0';//加上進位制轉換後數字
d=0;//清空餘數
}
reverse(ans.begin(),ans.end());//倒置下
return ans;
}
int main()
{
string s;
while(cin>>s)
{
cout<<solve(s,10,7)<<endl;
}
return 0;
}