首页 > 编程知识 正文

大整数乘法运算,整数乘法相关知识

时间:2023-05-05 15:57:49 阅读:240481 作者:3556

一.问题

由于编程语言提供的基本数值数据类型表示的数值范围有限,不能满足较大规模的高精度数值计算,因此需要利用其他方法实现高精度数值的计算,于是产生了大数运算。尤其是乘法运算,下面就是大整数的乘法的过程(加 减法都一样的原理)。

二.解决问题的方法 方法一(传统的相乘逐步相加)

乘法规律,一个数的第i位和另一个数的第j位相乘,一定会累加到结果的第i+j位,结果的数组一个数组元素存2位数,最后对结果整除得到进位,mod得到余数就是i+j位的数字,最后打印出来。

 对于大整数比较方便的输入方法是,①按字符型处理,存储在字符串数组s1、s2中,计算结果存储在整型数组ans中。 ②通过字符的ASCII码,数字字符可以直接参与运算,i位数字与j位数字相乘的表达式为:(s1[i]-‘0’)*(s2[j]-‘0’)。 ③每一次数字相乘的结果位数是不固定的,而结果数组中每个元素只存储一位数字,所以用变量t暂存结果,对t mod运算得到的就是ans[i+j]的值,若超过1位数则进位,用变量b存储。

这种做法的时间复杂度为o(n^2)

c语言源码:

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <math.h>int max(int a,int b){return a>b?a:b;} int main() { char s1[205], s2[205],ans[1000]; int str1[205],str2[205]; int len1, len2,i; while( scanf("%s%s", s1, s2)!=EOF){ len1 = strlen(s1), len2 = strlen(s2); memset(str1,0,205);//初始化0 memset(str2,0,205); memset(ans,0,1000); int len = 0; for(i = 0; i < len1; ++ i) str1[i] = s1[len1 - 1 - i] - '0'; for(i = 0; i < len2; ++ i) str2[i] = s2[len2 - 1 - i] - '0'; for( i = 0; i < len1; ++ i) { int b = 0; //每遍历完数组a的一个数,进位b都要初始化为0 for(int j = 0; j < len2 || b; ++ j)//当str[j]没遍历完,或者最高位满十需要进位,进位不为0 { int t = ans[i + j] + str1[i]*str2[j] + b; ans[i + j] = t%10; //余数就是该ans[i+j]位置的数 b = t/10;//进位 //len = max(len, j + i); } len = i+j-1 //最终的位数 } for( i = len; i >= 0; -- i) //倒置输出 printf("%d", ans[i]); printf("n"); } return 0;} 方法二(分治法)

分治算法解题的一般步骤:

分解:将要解决的问题划分为若干个规模较小的同类问题求解:当子问题划分的足够小时,用较简单的方法解决合并:按原问题的要求,将子问题的解逐层合并构成原问题的解①两个大整数在理想状态下:就是两个大整数的位数相同

现在有两个大整数X,Y;   设X, Y是n位十进制整数,分段表示如下:

即 X=A*10^(n/2)+B,   Y=C*10^(n/2)+D  则:

本来可以直接算AD+BC,但是这样效率变低了,所以对AD+BC进行分解优化后得:

计算成本:3次n/2位乘法,6次不超过n位加减法,2次移位,所有加法和移位共计O(n)次运算。由此可得

理想状态下c语言代码:(不超过long long 型,后面做法会用字符串接收大整数

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <math.h>#define sign(x) ((x>0)?1:-1)//_int64等同于long long //%I64d等同于%lld _int64 mutipy(_int64 a,_int64 b,int num){ //两个long long 类型的大整数相乘,后面会用字符串做法解决 int s=sign(a)*sign(b); a=(a>0)?a:-a ; b=(b>0)?b:-b ; if(num==0) //递归出口, return 0; else if(num==1){ //当a,b只有一位数时,直接相乘 return s*a*b; } else{ _int64 A=a/(int)pow(10,(int)(num/2)); //分离大整数a的高位 _int64 B=a%(int)pow(10,(int)(num/2)); //分离大整数a的低位 _int64 C=b/(int)pow(10,(int)(num/2)); //分离大整数b的高位 _int64 D=b%(int)pow(10,(int)(num/2)); //分离大整数b的低位 _int64 AC=mutipy(A,C,(int)(num/2)); //分治计算AC _int64 BD=mutipy(B,D,(int)(num/2)); //分治计算BD _int64 ABCD=mutipy((A-B),(D-C),(int)(num/2))+AC+BD; //计算(A-B)(D-C)+AC+BD return s*(_int64)(AC*pow(10,(int)(num/2)+(int)(num/2))+ABCD*pow(10,(int)(num/2))+BD); //返回结果 }} int main() {_int64 a,b,c,temp; //long long a,b,c;int len1=0,len2=0;while(scanf("%I64d %I64d",&a,&b)){temp=a;while(temp){ //计算a的位数len1++; temp=temp/10;} c=mutipy(a,b,len1); printf("%I64dn",c);} return 0;}

其实上述有个缺陷:那就是只能是long long 类型的大整数相乘,超出了long long 型就会报错。解决方法看下面的做法

②两个大整数在非理想状态下:就是两个大整数的位数不相同

我们还是假设有两个大整数X、Y,它们的位数不相同,现在要求X*Y的乘法,我们采用分治的算法,将X、Y分别拆分为A与B、C与D,如下图:

上式一共需要进行2次xn0的乘法(AC、AD各一次)、2次yn0的乘法(AC、BC各一次)和3次加法,因而该算法的时间复杂度为

跟上面一样,对AD+BC进行分解优化得:

修改后的时间复杂度:

由于T(min(m,n))<T(m)+T(n),所以修改后的算法更好,时间复杂度:T(m+n)=O(nlog3)=O(n1.59)

非理想状态下的c语言代码:(不超过long long 型,后面做法会用字符串接收大整数

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <math.h>#define sign(x) ((x>0)?1:-1)//_int64等同于long long //%I64d等同于%lld _int64 mutipy(_int64 a,int numa,_int64 b,int numb){ //两个long long 类型的大整数相乘,后面会用字符串做法解决 int s=sign(a)*sign(b); a=(a>0)?a:-a ; b=(b>0)?b:-b ; if(numa==0||numb==0) //递归出口, return 0; else if((numa==1&&numb==1)||numa==1||numb==1){ //当a,b只有一位数时,直接相乘 return s*a*b; } else{ int num1=numa/2; //定义了大整数a的低位的位数x0 int num2=numa-num1; //定义了大整数a的高位的位数x1 int num3=numb/2; //定义了大整数b的低位的位数x2 int num4=numb-num3; //定义了大整数b的高位的位数x3 _int64 A=a/(int)pow(10,num1); //分离大整数a的高位 _int64 B=a%(int)pow(10,num1); //分离大整数a的低位 _int64 C=b/(int)pow(10,num3); //分离大整数b的高位 _int64 D=b%(int)pow(10,num3); //分离大整数b的低位 _int64 AC=mutipy(A,num2,C,num4); //分治计算AC _int64 BD=mutipy(B,num1,D,num3); //分治计算BD _int64 ABCD=mutipy(((_int64)(A*pow(10,num1))-B),num2,(D-(_int64)(C*pow(10,num1))),num4); //计算(A*10^num1-B)(D-C*10^num3) return s*(_int64)(2*AC*pow(10,(num1+num3))+ABCD+2*BD); //返回结果 }}int main() {_int64 a,b,c,temp; //long long a,b,c;int len1=0,len2=0;while(scanf("%I64d %I64d",&a,&b)){temp=a;while(temp){ //计算a的位数len1++; temp=temp/10;}temp=b; while(temp){ //计算b的位数len2++; temp=temp/10;} c=mutipy(a,len1,b,len2); printf("%I64dn",c);} return 0;}

非理想状态下的c语言代码:(任意位数相乘,可以超出longlong类型)

#include<stdio.h>#include<string.h>int result[255]; void cal( char a[],int numa,char b[],int numb,int s){ int num1=numa/2; //num1为B的位数,B属于低位的那一部分 int num2=numa-num1; //num2为A的位数,A属于高位的那一部分 int num3=numb/2; //num3为D的位数,D属于低位的那一部分 int num4=numb-num3; //num4为C的位数,C属于高位的那一部分 char A[255],B[255],C[255],D[255]; int k=0; if(numa==0||numb==0) //当位数为0时 return ; else if(numa==1&&numb==1){ //分治递归到当数组a和b的位数全为1时 result[s]+=(a[0]-'0')*(b[0]-'0'); //直接计算,把他的结果直接加到对应数组result的位置 return; } else{ //当数组a和b的位数至少有一个不为1时 for(int i=0;i<num2;i++) //获取数组a的高位部分A A[k++]=a[i]; k=0; for(i=num2;i<numa;i++) //获取数组a的低位部分B B[k++]=a[i]; k=0; for(i=0;i<num4;i++) //获取数组b的高位部分C C[k++]=b[i]; k=0; for(i=num4;i<numb;i++) //获取数组b的高位部分D D[k++]=b[i]; cal(A,num2,C,num4,s+num1+num3); //AC ,在result[s+num1+num3]的位置存储AC,也是说偏移s+num1+num3位,s初始化为0 cal(B,num1,C,num4,num3+s); //BC,偏移num3+s位 cal(A,num2,D,num3,num1+s); //AD,偏移num1+s位 cal(B,num1,D,num3,s); //BD,偏移s位 } } void exchange(int result[],int len){ //将result数组中的值进行整理,转化输出int i = 0;int t,p1,p2;while(i<=len){ //以特殊数最大位数为终止条件 if(result[i] < 10); //当result[i]的值小于10,就不处理,直接保存在result[i]中else if(result[i] < 100){ //当0<=result[i]<100时t = result[i] % 10; //余数就是该位置result[i]的值p1 = result[i] / 10; //result[i]进位result[i] = t; //将余数t保存至result[i]中result[i+1] += p1; //进位把他加到result[i+1]中}else{ //当result[i]>=100时t = result[i] % 10; //余数就是该位置result[i]的值p1 = result[i] / 10 % 10; //这是result[i]满十进位p2 = result[i] / 100; //这是result[i+1]满十进位 result[i] = t; //将余数t保存至result[i]中result[i+1] += p1; //进位把他加到result[i+1]中result[i+2] += p2; //进位把他加到result[i+2]中}i++; //位数加1} } int main(){ char a[100],b[100]; int j,i=0,len1,len2; while(scanf("%s %s",a,b)!=EOF){ len1=strlen(a); len2=strlen(b); cal(a,len1,b,len2,0); exchange(result,len1+len2); for(i=len1+len2-1;i>=0;){ //去高位的0去掉 if(result[i]==0){ while(result[i]==0){ i--; } } else break; } for(j=i;j>=0;j--) //从非零的位置打印 printf("%d",result[j]); printf("n"); } return 0; }

版权声明:该文观点仅代表作者本人。处理文章:请发送邮件至 三1五14八八95#扣扣.com 举报,一经查实,本站将立刻删除。