c语言一个数中是否含有8,要心中有“数”——C语言初学者代码中的常见错误与瑕疵(8)...
在 飞鸟_Asuka网友指出“是不是时间复杂度比较大”,并说他“第一眼看到我就想把它当成一个数学问题来做”之后,我又重新对问题进行了数学式的思考后发现的。
这个BUG源于在(1<=A,B<=1000)条件下对矩形个数的数量级心里没数。当时觉得这个题目的目的是考察穷举,由于题目限定了A、B的范围,所以结果应该不是很大。事实证明这种想法是一厢情愿。
通常情况下,我不喜欢用数学方法解决C语言编程问题。因为很多问题,一旦在数学上能够轻易解决,编写代码往往是索然无趣的,对学习和练习C语言几乎没有什么益处。譬如,求1+2+3+……+100,如果不知道或假装不知道数学解法,代码可能是这样的
#include
int main( void)
{int i , sum = 0;for ( i = 1 ; i <=100 ; i ++)
{
sum+=i ;
}
printf("%d",sum);return 0;
}
而若使用数学方法,代码则是
#include
int main( void)
{
printf("%d", (1 + 100) * 100 / 2);return 0;
}
前者,C语言和编程成分的含量很高,数学含量却很低;而后者数学含量很高,可C语言和编程成分的含量几乎为0。
从解决实际问题的角度来说,显然应该用后一种方法;而从学习C语言和练习编程的角度来说,则应该使用前一种方法。所以一个好的编程问题,应该是没有数学解的,至少应该没有显而易见、容易得到的数学解。否则,只是用C语言对公式做一个简单的翻译(这大概是FORTRAN语言的哲学),编程的味道就全没有了,谭浩强的很多题目就是如此(参见:
所以,在飞鸟_Asuka 网友说他“第一眼看到我就想把它当成一个数学问题来做”之后,我也尝试着用数学的方式思考了一下。我发现,在同一条直线上的n个不同的点一共可以构成(n-1)n/2条不同的线段,A*B的矩形相邻两边各有A+1和B+1个不同的点,因而可以分别构成(A+1)A/2和(B+1)B/2条不同的线段,这样构成的矩形的个数一共就是(A+1)A/2×(B+1)B/2个。当A和B取最大值1000时,结果显然不小于25×1010,而这个值显然大于231-1,甚至也大于232-1(多数编译器中 unsigned 类型所能表示的最大整数)。这样,原来的重构代码中用int类型作为结果的类型,显然错了。
我一向认为C语言程序员应该心中有“数”,即对表达式中的数据和结果有最起码的范围估计。没想到,这次由于刻意回避数学解法,却立刻遭到了违背信条的报应。正应验了Muphry's law所言:Anything that can go wrong, will go wrong。
冯诺依曼也认为程序员至少应该清楚计算过程中数据的数量级,为此他反对浮点数。与之相反,约翰.巴科斯则盲目乐观地发明了浮点数,很多程序员尽情地享受浮点数的方便,却由于盲目乐观屡屡被浮点数这种“有缺陷的抽象”所伤。更有甚至,很多程序员连浮点数最基本的原理都不懂,竟然能写出k=sqrt(n) 这样狗屁不通的句子。(参见:
回过头来再谈我代码的BUG。这个BUG的另一个教训是没有进行比较充分的测试,如果测试一下边界情况可能不难发现这个BUG。后来我又重新测试了一下,发现程序运行时间比较长,这说明飞鸟_Asuka 网友指出“是不是时间复杂度比较大”的问题也是存在的。但当时为了算法叙述的方便,就没有按照下面的方法写count()函数:
int count( int A , intB )
{int x1 , y1 ;//第一个点的坐标
int x2 , y2 ;//第二个点的坐标
int num = 0;for ( x1 = 0 ; x1 < B ; x1 ++ )//for ( x1 = 0 ; x1 <= B ; x1 ++ )
for ( y1 = 0 ; y1 < A ; y1 ++ )//for ( y1 = 0 ; y1 <= A ; y1 ++ )//穷举第一个点的各种可能
for ( x2 = x1 + 1 ; x2 <= B ; x2 ++ )//for ( x2 = 0 ; x2 <= B ; x2 ++ )
for ( y2 = y1 + 1 ; y2 <= A ; y2 ++ )//for ( y2 = 0 ; y2 <= A ; y2 ++ )//穷举第二个点的各种可能
num ++ ; //{//if ( x1 < x2 && y1 < y2 )//num ++ ;//}
returnnum ;
}
如果写成这种形式,不难发现第二层循环与第三层是可以对调的,对调后为:
for ( x1 = 0 ; x1 < B ; x1 ++)for ( x2 = x1 + 1 ; x2 <= B ; x2 ++)for ( y1 = 0 ; y1 < A ; y1 ++)for ( y2 = y1 + 1 ; y2 <= A ; y2 ++)
num++ ;
这时应该能够看出,最内两层循环次数为 A + A-1 + A-2 +……+1,最外两层循环的循环次数为B + B-1 + B-2 +……+1,因而结果可以直接得到,即(A+1)A/2*(B+1)B/2。
算法问题解决了,又产生了新的问题,那就是如何表示这么大的整数,这是一个数据结构的问题。(或许,这才是题目的本意?)
办法之一就是使用表示范围更大的整数类型,例如C99中的long long int类型。
如果编译器不支持C99也没有表示范围更大的整数类型,那就只有自己着手构造新的数据结构了。
矩形个数的最大值大约为25×1010,这并不是一个很大的数,一个int不够,那就用两个好了。这里把存储大数的数据结构设计为一数组,
typedef int BIG_NUM[2] ;
数组的第0个元素存储低6位,第1个元素存储高位。存储低6位的原因是避免乘法运算时溢出(乘数不超过1001,与一个6十进制整数相乘不超过109,在int类型的表示范围之内)。
通过调用
BIG_NUM num ;
count( num , A , B );
将结果写到num中。
count()函数的实现:
void count( BIG_NUM m , int A , intB )
{
m[0] = 1;
m[1] = 0;
mul_sum( m , A );//将1+2+……+A的结果乘入m
mul_sum( m , B );//将1+2+……+B的结果乘入m
}
由于结果是累乘得到的,所以初始化为1。为防止溢出,只能
void mul_sum( BIG_NUM m , intn )
{int t1 = n % 2 == 0 ? n / 2: n ,
t2= n % 2 != 0 ? (n + 1) / 2 : n + 1;
mul( m , t1 );
mul( m , t2 );
}
小心翼翼地一个个地乘(每个乘数都不得超过1001)。t1,t2这两个变量是为了回避BIG_NUM类型的除法运算。
void mul( BIG_NUM m , intn )
{
m[0] *=n ;
m[1] *=n ;
m[1] += m[0]/1000000;//进位
m[0] %= 1000000;
}
每乘以一个数,立刻就处理进位问题。
最后还要考虑如何输出:
voidoutput( BIG_NUM m )
{if ( m[1] == 0)
{
printf("%d" , m[0] );return;
}
printf("%d" , m[1] );
printf("%06d" , m[0] );
}
这里的"%06"是为了保证低位不够6位时仍能正确输出。
完整的代码如下:
/*矩形的个数
在一个3*2的矩形中,可以找到6个1*1的矩形,4个2*1的矩形3个1*2的矩形,
2个2*2的矩形,2个3*1的矩形和1个3*2的矩形,总共18个矩形。
给出A,B,计算可以从中找到多少个矩形。
输入:
本题有多组输入数据(<10000),你必须处理到EOF为止
输入2个整数A,B(1<=A,B<=1000)
输出:
输出找到的矩形数。
样例:
输入:
1 2
3 2
输出:
3
18
作者:薛非
出处:http://www.cnblogs.com/pmer/“C语言初学者代码中的常见错误与瑕疵”系列博文*/#includetypedefint BIG_NUM[2] ;void count( BIG_NUM , int , int);void mul_sum( BIG_NUM , int);void mul( BIG_NUM , int);voidoutput( BIG_NUM );#define POW 1000000
#define WID 6
int main( void)
{intA , B ;while ( printf( "输入2个整数A,B(1<=A,B<=1000)"),
scanf("%d%d" , &A , &B )!=EOF
)
{
BIG_NUM num ;
count( num , A , B );
output( num );
}return 0;
}voidoutput( BIG_NUM m )
{if ( m[1] == 0)
{
printf("%d" , m[0] );return;
}
printf("%d" , m[1] );
printf("%0*d" , WID , m[0] );
}void mul( BIG_NUM m , intn )
{
m[0] *=n ;
m[1] *=n ;
m[1] += m[0]/POW;//进位
m[0] %=POW;
}void count( BIG_NUM m , int A , intB )
{
m[0] = 1;
m[1] = 0;
mul_sum( m , A );//将1+2+……+A的结果乘入m
mul_sum( m , B );//将1+2+……+B的结果乘入m
}void mul_sum( BIG_NUM m , intn )
{int t1 = n % 2 == 0 ? n / 2: n ,
t2= n % 2 != 0 ? (n + 1) / 2 : n + 1;
mul( m , t1 );
mul( m , t2 );
}
写的有点丑。
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