【LeetCode】数值运算(除法、乘方)

C/C++数字范围(32位系统)

bool:  ~     // 1 字节
char // 1 字节
short: - ~ // 2 字节
int: - ~ // 4 字节
unsigned: ~ // 4 字节
size_t: ~ // 4 字节
long: - ~ // 4 字节,Linux64位下的long占 8 字节!!!
unsigned long: ~ // 4 字节
long long: - ~ // 8 字节
unsigned long long: ~ // 8 字节
__int64: - ~ // 8 字节
unsigned __int64: ~ // 8 字节
float: 1.17549- ~ 3.40282e+038 // 4 字节
double: 2.22507e-308 ~ 1.79769e+308 // 8 字节
long double: 3.3621e-4932 ~ 1.18973e+4932 // 12 字节

1. 整数除法

实现整数除法,不使用 * 、/ 、% 三个运算符。若结果越界,返回 INT_MAX。

原理:

假设计算 15 除以 3,15 是 dividend 被除数,3 是 divisor 除数。

“除法”需要知道 dividend 能够减去 divisor 多少次而不使 dividend 为负。

开始计算叭~将结果记录在 result 中(初始化为0)。

首先 15 - 3 = 12 > 0;尝试减去更大的数,把 3 左移一位 (0011)2 -> (0110)2 得到 6,15 - 6 > 0;再左移一位得到 12,15 - 12 > 0;继续左移一位得到24,15 - 24 < 0。这样我们知道 dividend (15) 最多能减 12。12 是由 divisor (3) 左移 2 次得到,左移 2 次相等于 × 4,4 即为 (0001)2 左移 2 次得到,因此将 4 加到 result 中。

接下来 dividend 15 - 12 后剩余 3,重复上述计算,将 1 加到 result 中得到最终答案 5。

被除数和除数若含有负数,则统一化为正数按上述算法计算后,再判断 result 符号即可。

C++实现:

 int divide(int dividend, int divisor) {
// 整数除法,因此只有当 dividend == -231,divisor == -1 时结果才会越界
if (!divisor || (dividend == INT_MIN && divisor == -))
return INT_MAX;
/* !使用 异或 操作符判断符号值得学习! */
int sign = ((dividend < ) ^ (divisor < )) ? - : ;
// dividend == -231时,取绝对值后仍赋值给 int 则会越界,因此存储在 long long
long long dvd = labs(dividend);
long long dvs = labs(divisor);
int res = ;
while (dvd >= dvs) {
long long temp = dvs, multiple = ;
while (dvd >= (temp << )) {
temp <<= ;
multiple <<= ;
}
dvd -= temp;
res += multiple;
}
return sign == ? res : -res;
}

2. 乘方

实现 Pow(x, n)。

若用类似于求 n 的阶乘的递归方法计算,时间复杂度为 O(n)。

但考虑到 n 个 x 相乘式子的对称关系,可以采用二分法,xn = xn/2 * xn/2 * xn%2,时间复杂度为 O(logn)。

C++实现:

 double myPow(double x, int n) {
if (!n)
return ;
if (n < ) {
n = -n;
x = / x;
}
return (n % == ) ? myPow(x * x, n / ) : x * myPow(x * x, n / );
}

但这段代码并没有做边界条件判断,n 取值 INT_MIN 时,-n 并不是 INT_MAX

【LeetCode】数值运算(除法、乘方)

需要在 n < 0 的条件下增加判断

if (n == INT_MIN)
return / (x * myPow(x, INT_MAX));

或者改为

if (n < ) {
return / (x * myPow(x, -(n + )));
}

最后可以用位运算加快执行速度

 double myPow(double x, int n) {
if (!n)
return ;
if (n < ) {
return / (x * myPow(x, ~n));
}
return ((n & ) == ) ? myPow(x * x, n >> ) : x * myPow(x * x, n >> );
}

用 ~n 代替 -(n + 1)。

e.g. n = 15,求 ~n。

 n的源码 = 00000000  00000000  00000000  00001111
正数的补码是自身(计算机以补码存储数据)
n的补码 = 00000000 00000000 00000000 00001111
按位取反(包括符号位)
~n的补码 = 11111111 11111111 11111111 11110000
负数的补码是源码取反加1,源码也是补码取反加1(符号位不变)
~n的源码 = 10000000 00000000 00000000 00010000

求得 ~n 为 -16。同理 n = -15 时,求得 ~n = 14。

if ((n & 1) == 0) 判断奇偶效率更高,虽然编译器都会将 n % 2 优化为位运算。

但值得注意的是,& 作为“按位与”而不是“取地址符”时,其优先级低于 == 和 !=,因此如果不写括号的话 (n & 1 == 0) 为永 false 的。

编写更加易读的代码比起过多考虑细枝末节的效率问题更加重要!若想高效,建议改进算法,而不是改进写法!

递归虽然很好理解,但会占用递归栈的空间,因此用迭代的方法更加高效。

考虑 n 的二进制表示,例如 n = (1000 1011)2,那么xn = x1+2+8+128 = x1 * x2 * x8 * x128

因此可以循环 n 的每一位,如果该位置是 1,就把 xi 乘到结果中去,时间复杂度为 O(logn)。

任何数与 1 相与结果不是 0 就是 1,一般用 n & 1 判断 n 的奇偶,这里则是不断把 n 右移一位,判断 n 的最后一位是不是 1,如果是 1,就把 xi 乘到结果中去。

 double myPow(double x, int n) {
if (!n)
return ;
if (n < ) {
return / (x * myPow(x, ~n));
}
double result = ;
for(; n > ; x *= x, n >>= ) {
if (n & > )
result *= x;
}
return result;
}

3.

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