浮點數的那點事

来源:http://www.cnblogs.com/dhlee/archive/2017/07/25/7236946.html
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浮點數是電腦中儲存實數的形式。我們時常需要用浮點數去處理帶小數點的運算。可你是否知道,浮點數還有這些操作: 正負無窮大 與整數不同,浮點數沒有溢出的概念。當浮點數的運算結果超過一定範圍時,它的值就會根據運算結果的符號變成正無窮大或負無窮大。最簡單產生無窮大的運算就是除以0.例如1.0/0.0的結果 ...


浮點數是電腦中儲存實數的形式。我們時常需要用浮點數去處理帶小數點的運算。可你是否知道,浮點數還有這些操作:

正負無窮大

與整數不同浮點數沒有溢出的概念當浮點數的運算結果超過一定範圍時它的值就會根據運算結果的符號變成正無窮大或負無窮大最簡單產生無窮大的運算就是除以0.例如1.0/0.0的結果是正無窮大-1.0/0.0的結果是負無窮大註意浮點數除於0不會產生錯誤,只有整數才會。

無窮大的性質和你想象中的一樣:除了無窮大自身和後面要提到的NaN外,任何一個浮點數都小於正無窮大,大於負無窮大。而且無窮大加、減、除一個非無窮大,或乘一個非0數的結果都是無窮大(可能變號)。

無窮大在一些特定情況很有用。比如說,你要找xx的最小值時,你可以把儲存最小值變數初始化為無窮大。或者,你也可以用無窮大的代價表示無解。

NaN

NaN是浮點數中一個有毒的常量。它滿足很多奇葩的性質。

NaN是Not a Number的縮寫也就是說NaN表示它不是一個數字浮點數中居然有一個“不是數字”的“數字”究竟是幾個意思呢

首先我們看看NaN是怎麼產生的NaN對應著數學中的“不定式”例如0.0/0.0,(1.0/0.0 - 1.0/0.0)(即無窮大減無窮大),0.0*(1.0/0.0)(即0乘以無窮大)等。也就是說,當運算結果不能確定時,它就乾脆直接給你一個“不是數字”。

由於NaN不是數字,它滿足很多毀三觀的性質,其中一個標誌性的性質,就是它與任何數字都不相等,包括它自己!

所以,當xNaN時,x == xfalse

這是判斷一個浮點數是不是NaN的常用方法。事實上,除了!=的結果永遠是true以外,NaN與任何浮點數的所有大小比較都是false。而且,NaN和任何浮點數的運算(即加減乘除等)結果都是NaN

由於NaN的性質如此有毒,它很容易造成各種bug。例如,如果你不小心計算了無窮大減無窮大,你就得到NaN。由於它的所有比較都是false,你的程式會出現奇怪的行為,讓你百思不得其解。

還有就是,如果你看到如下if語句

if (x < 1.2) {
    // Do something
} else if (x >= 1.2) {
    // Do something
}

你可能以為else後面那個if語句是多餘的。其實不然。這個if起到了排除NaN的作用。尤其是當x是函數參數的時候,如果參數傳入一個NaN,你要能正確處理它。

當然,NaN也有一定的正面作用。例如我們可以用NaN來表示“無解”或者“不存在”等性質。我們也可以利用它和任意數字不相等這一性質來提供便利。例如如果我們想從浮點數組中刪除一個數字,我們可以把它設為NaN。特別的,在C++中我們可以用memset(arr, 0xFF, sizeof(arr))將浮點數組初始化為NaN

精度誤差

由於儲存空間有限,我們不可能將一個實數,尤其是無限小數的精確值儲存下來。這樣,在運算過程中就會產生精度的誤差。

我們不妨看這樣一段代碼:

for (int i = 1; i < 100; ++i) {
    double a = 1.0/i;
    if (a*i != 1.0)
        cout << " " << i;
}
cout << endl;

假如沒有精度誤差上面這段程式應該什麼都不輸出但實際上它會輸出4998。這是精度誤差導致的相等判斷錯誤。

所以,兩個浮點數是否相等並不能直接判斷,而應該用兩個數的差的絕對值小於一個很小的數(例如1e-77代表精確的小數位數)作為條件來進行判斷。

const double eps = 1e-7;
cout << "inexact result with double:";
for (int i = 1; i < 100; ++i) {
    double a = 1.0/i;
    if (!(fabs(a*i - 1.0) < eps))
        cout << " " << i;
}

這段代碼就不會有任何輸出了。

 


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