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漫画:如何实现大整数相乘?(下)

科技百分百 189

前言:

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如何用程序实现大整数相乘呢?

在上一篇文章 漫画:如何实现大整数相乘?(上) 修订版当中,我们介绍了两种思路:

1.像列竖式一样,把两整数按位依次相乘

这个思路的时间复杂度是O(n^2)。

2.利用分治法,把每个大整数分成高位和低位两部分,转化成四个较小的乘积。

这个思路的时间复杂度同样是O(n^2)。

那么,有什么样的优化方案,可以使时间复杂度优于O(n^2)呢?我们今天一起来研究下。

如何做调整呢?其实很简单,连小学生都会:

这样一来,原本的4次乘法和3次加法,转变成了3次乘法和6次加法。

这样一来,时间复杂度是多少呢?

假设两个长度为n的大整数相乘,整体运算规模是T(n) 。

刚才我们说过,两个大整数相乘可以被拆分成三个较小的乘积,

所以在第一次分治时,T(n)和T(n/2)有如下关系:

T(n) = 3T(n/2) + f(n)

其中f(n)是6次加法的运算规模,f(n)的渐进时间复杂度很明显是O(n)。

此时让我们回顾一下master定理:

设常数a >= 1,b > 1,如果一个算法的整体计算规模 T(n) = a T(n / b) + f(n),那么则有如下规律:

对于T(n) = 3T(n/2) + f(n)这个关系式来说, a=3, b=2。

把a和b的值,以及f(n)的时间复杂度带入到master定理的第一个规律,也就是下面的规律:

发现正好符合条件。

怎么符合条件呢?推导过程如下:

所以我们的平均时间复杂度是:

2 和 1.59 之间的差距看似不大,但是当整数长度非常大的时候,两种方法的性能将是天壤之别。

下面展示一下实现代码。我们的代码非常复杂,在这里只作为参考,最重要的还是解决问题的思路:

/**

* 大整数乘法

* @param bigNumberA 大整数A

* @param bigNumberB 大整数B

*/

public static String bigNumberMultiply(String bigNumberA, String bigNumberB) {

boolean isNegative = false;

if ((bigNumberA.startsWith("-") && bigNumberB.startsWith("-"))

|| (!bigNumberA.startsWith("-") && !bigNumberB.startsWith("-"))) {

// 两数同符号的情况

bigNumberA = bigNumberA.replaceAll("-", "");

bigNumberB = bigNumberB.replaceAll("-", "");

} else if ((bigNumberA.startsWith("-") && !bigNumberB.startsWith("-"))

|| (!bigNumberA.startsWith("-") && bigNumberB.startsWith("-"))) {

// 两数不同符号的情况

bigNumberA = bigNumberA.replace("-", "");

bigNumberB = bigNumberB.replace("-", "");

isNegative = true;

}

// 如果两数长度之和小于10,直接相乘返回

if (bigNumberA.length + bigNumberB.length < 10) {

// 计算乘积

int tmp = (Integer.parseInt(bigNumberA) * Integer.parseInt(bigNumberB));

if (tmp == 0) {

return "0";

}

String value = String.valueOf(tmp);

if(isNegative){

value = "-" + value;

}

return value;

}

// 公式 AC * 10^n+((A-B)(D-C)+AC+BD) * 10^(n/2)+BD当中的a,b,c,d

String a, b, c, d;

if (bigNumberA.length == 1) {

a = "0";

b = bigNumberA;

} else {

if (bigNumberA.length % 2 != 0) {

bigNumberA = "0" + bigNumberA;

}

a = bigNumberA.substring(0, bigNumberA.length / 2);

b = bigNumberA.substring(bigNumberA.length / 2);

}

if (bigNumberB.length == 1) {

c = "0";

d = bigNumberB;

} else {

if (bigNumberB.length % 2 != 0) {

bigNumberB = "0" + bigNumberB;

}

c = bigNumberB.substring(0, bigNumberB.length / 2);

d = bigNumberB.substring(bigNumberB.length / 2);

}

// 按最大位数取值,以确定补零数目

int n = bigNumberA.length >= bigNumberB.length ? bigNumberA.length : bigNumberB.length;

//t1,t2为中间运算结果,t3为乘法运算完毕的结果

String t1, t2, t3;

String ac = bigNumberMultiply(a, c);

String bd = bigNumberMultiply(b, d);

//t1=(A-B)(D-C)

t1 = bigNumberMultiply(bigNumberSubtract(a, b), bigNumberSubtract(d, c));

//t2=(A-B)(D-C)+AC+BD

t2 = bigNumberSum(bigNumberSum(t1, ac), bd);

//t3= AC * 10^n+((A-B)(D-C)+AC+BD) * 10^(n/2)+BD

t3 = bigNumberSum(bigNumberSum(Power10(ac, n), Power10(t2, n/2)), bd).replaceAll("^0+", "");

if (t3 == "")

return "0";

if(isNegative){

return "-" + t3;

}

return t3;

}

/**

* 大整数加法

* @param bigNumberA 大整数A

* @param bigNumberB 大整数B

*/

public static String bigNumberSum(String bigNumberA, String bigNumberB) {

if (bigNumberA.startsWith("-") && !bigNumberB.startsWith("-")) {

return bigNumberSubtract(bigNumberB, bigNumberA.replaceAll("^-", ""));

} else if (!bigNumberA.startsWith("-") && bigNumberB.startsWith("-")) {

return bigNumberSubtract(bigNumberA, bigNumberB.replaceAll("^-", ""));

} else if (bigNumberA.startsWith("-") && bigNumberB.startsWith("-")) {

return "-" + bigNumberSum(bigNumberA.replaceAll("^-", ""), bigNumberB.replaceAll("^-", ""));

}

//1.把两个大整数用数组逆序存储,数组长度等于较大整数位数+1

int maxLength = bigNumberA.length > bigNumberB.length ? bigNumberA.length : bigNumberB.length;

int arrayA = new int[maxLength+1];

for(int i=0; i< bigNumberA.length; i++){

arrayA[i] = bigNumberA.charAt(bigNumberA.length-1-i) - '0';

}

int arrayB = new int[maxLength+1];

for(int i=0; i< bigNumberB.length; i++){

arrayB[i] = bigNumberB.charAt(bigNumberB.length-1-i) - '0';

}

//2.构建result数组,数组长度等于较大整数位数+1

int result = new int[maxLength+1];

//3.遍历数组,按位相加

for(int i=0; i<result.length; i++){

int temp = result[i];

temp += arrayA[i];

temp += arrayB[i];

//判断是否进位

if(temp >= 10){

temp -= 10;

result[i+1] = 1;

}

result[i] = temp;

}

//4.把result数组再次逆序并转成String

StringBuilder sb = new StringBuilder;

//是否找到大整数的最高有效位

boolean findFirst = false;

for (int i = result.length - 1; i >= 0; i--) {

if(!findFirst){

if(result[i] == 0){

continue;

}

findFirst = true;

}

sb.append(result[i]);

}

return sb.toString;

}

/**

* 大整数减法

* @param bigNumberA 大整数A

* @param bigNumberB 大整数B

*/

public static String bigNumberSubtract(String bigNumberA, String bigNumberB) {

int compareResult = compare(bigNumberA, bigNumberB);

if (compareResult == 0) {

return "0";

}

boolean isNegative = false;

if (compareResult == -1) {

String tmp = bigNumberB;

bigNumberB = bigNumberA;

bigNumberA = tmp;

isNegative = true;

}

//1.把两个大整数用数组逆序存储,数组长度等于较大整数位数+1

int maxLength = bigNumberA.length > bigNumberB.length ? bigNumberA.length : bigNumberB.length;

int arrayA = new int[maxLength+1];

for(int i=0; i< bigNumberA.length; i++){

arrayA[i] = bigNumberA.charAt(bigNumberA.length-1-i) - '0';

}

int arrayB = new int[maxLength+1];

for(int i=0; i< bigNumberB.length; i++){

arrayB[i] = bigNumberB.charAt(bigNumberB.length-1-i) - '0';

}

//2.构建result数组,数组长度等于较大整数位数+1

int result = new int[maxLength+1];

//3.遍历数组,按位相加

for(int i=0; i<result.length; i++){

int temp = result[i];

temp += arrayA[i];

temp -= arrayB[i];

//判断是否进位

if(temp < 0){

temp += 10;

result[i+1] = -1;

}

result[i] = temp;

}

//4.把result数组再次逆序并转成String

StringBuilder sb = new StringBuilder;

//是否找到大整数的最高有效位

boolean findFirst = false;

for (int i = result.length - 1; i >= 0; i--) {

if(!findFirst){

if(result[i] == 0){

continue;

}

findFirst = true;

}

sb.append(result[i]);

}

String value = sb.toString;

if (isNegative) {

value = "-" + value;

}

return value;

}

// 比较大小

private static int compare(String x, String y) {

if (x.length > y.length) {

return 1;

} else if (x.length < y.length) {

return -1;

} else {

for (int i = 0; i < x.length; i++) {

if (x.charAt(i) > y.charAt(i)) {

return 1;

} else if (x.charAt(i) < y.charAt(i)) {

return -1;

}

}

return 0;

}

}

// 扩大10的n次方倍

public static String Power10(String num, int n) {

for (int i = 0; i < n; i++) {

num += "0";

}

return num;

}

public static void main(String[] args) {

String x = "1513143";

String y = "9345963";

System.out.println(bigNumberMultiply(x, y));

}

需要注意的是,这段实现代码只适用于两个大整数长度相等的情况。如果想求解长度不等的整数相乘,只需要对代码做微小的改动,有兴趣的小伙伴没有试一试。

文章转自程序员小灰

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