大數相乘問題--演算法思想及Java實現解析(附詳細註釋)
阿新 • • 發佈:2019-02-14
大整數乘法():
兩個乘數比較大,最後結果超過了整型甚至長整型的最大範圍,如果要得到精確結果,常規計算方法已經不適用。
這裡採用分治的思想,將乘數“分割”,將大整數計算轉換為小整數計算。 (附:博文針對正整數計算)
思路解析:
3 4 (大的整數作為被乘數恐怕是很多人的習慣,便於計算,哈哈)*1 2
---------
6 8
3 4
---------
4 0 8
找規律。其實大家多做幾個兩位數的乘法,都會發現這個規律:
AB * CD = AC (AD+BC) BD (數位組合)。沒錯,這裡如果BD相乘超過一位數,需要進位(例題中,二四得八,沒有進位);(AD+BC+低位進位)如果超過一位數,需要進位(就像剛才的3*1,最後+1得4的操作)。
此時可以看出,任意位數的整數相乘,最終都是可以轉化為兩位數相乘。但是,不同位的兩位數乘的結果,最後應該如何拼接呢?這需要我們來找下更深層次的規律。分析一下四位數的乘法,找找感覺:
1 2 3 4
* 5 6 7 8
------------------------
9 8 7 2
8 6 3 8
7 4 0 4
6 1 7 0
------------------------
7 0 0 6 6 5 2
結果看起來沒什麼特別的,如果按照我們分治的思想,轉換為兩位數相乘,之間能否有些關係呢?
1234分為 12(高位)和34(低位);5678分為56(高位)和78(低位)
高位*高位結果:12*56=672
高位*低位+低位*高位:12*78+34*56=936+1094=2840
低位*低位結果:34*78=2652
最後,拼接。需要說明的是,剛才我們提到兩位數分解成一位數相乘的規則:超過一位數,需要進位。同理(這裡就不證明了),兩位數乘以兩位數,結果超過兩位數,也要進位。
從低位開始:低兩位:2652,26進位,低位保留52;中間兩位,2840+26(低位進位)=2866,28進位,中位保留66;高位,672+28(進位)=700,7進位,高位保留00。再往上就沒有了,現在可以拼接起來:最高位進位7,高兩位00,中位66,低位52,最後結果:7006652。
規律找到!任意位數(例如N位整數相乘),都可以用這種思想實現:低位保留 N 位數字串,多餘高位進位;高位要加上低位進位,如果超過 N 位,依然只保留 N 位,高位進位。(如果是M位整數乘以N位整數怎麼辦?高位補0,湊成一樣位數的即可,不贅述。)
分治的規律找到了,接下來就是具體實現的思想了。
沒啥新花樣,依然是遞迴思想(這裡為了簡化,就不遞迴到兩位數相乘了,4位數相乘,計算機還是能夠得到精確值的):
1、如果兩個整數M和N的長度都小於等於4位數,則直接返回M*N的結果的字串形式。
2、如果如果M、N長度不一致,補齊M高位0(不妨設N>M),使都為N位整數。
3、N/2 取整,得到整數的分割位數。將M、N拆分成m1、m2,n1,n2。
4、將 m1、n1;m2、n1;m1、n2;m2、n2 遞迴呼叫第1步,分別得到結果AC(高位)、BC(中位)、AD(中位)、BD(低位)。
5、判斷BD位是否有進位bd,並擷取bd得到保留位BD‘;判斷BC+AD+bd是否有進位abcd,並擷取進位得到保留位ABCD';判斷AC+abcd是否有進位ac,並擷取進位得到保留位AC'。
6、返回最終大整數相乘的結果:ac AC' ABCD' BD'。
Java 實現原始碼:
import java.util.Scanner;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;
public class multipliers {
// 規模只要在這個範圍內可以直接計算(整型數值滿足)
private final static int SIZE = 4;
// 其中,len為X、Y的長度最大值
private static String bigIntMultiply(String X, String Y, int len) {
String str = "";
if (len <= SIZE) { // 少於4位數,可直接計算
return "" + (Integer.parseInt(X) * Integer.parseInt(Y));
}
if (X.length() != Y.length()) { // 長度不同,呼叫formatNumber方法,補齊X、Y,使之長度相同
X = formatNumber(X, len);
Y = formatNumber(Y, len);
}
// 將X、Y分別對半分成兩部分
int len1 = len / 2;
int len2 = len - len1;
String A = X.substring(0, len1);
String B = X.substring(len1);
String C = Y.substring(0, len1);
String D = Y.substring(len1);
// 乘法法則,分塊處理
int lenM = Math.max(len1, len2);
String AC = bigIntMultiply(A, C, len1);
String AD = bigIntMultiply(A, D, lenM);
String BC = bigIntMultiply(B, C, lenM);
String BD = bigIntMultiply(B, D, len2);
// 注意處理進位的方法,巧妙地運用了字串的拼接方面
// 【1】 處理BD,得到原位及進位
String[] sBD = dealString(BD, len2);
// 【2】 處理AD + BC的和
String ADBC = add(AD, BC);
// 【3】 加上BD的進位
if (!"0".equals(sBD[1])) {
ADBC = add(ADBC, sBD[1]);
}
// 【4】 得到ADBC的進位
String[] sADBC = dealString(ADBC, lenM);
// 【5】 AC加上ADBC的進位
AC = add(AC, sADBC[1]);
// 【6】 最終結果
str = AC + sADBC[0] + sBD[0];
return str;
}
// 兩個數字串按位加
private static String add(String ad, String bc) {
// 返回的結果
String str = "";
// 兩字串長度要相同
int lenM = Math.max(ad.length(), bc.length());
ad = formatNumber(ad, lenM);
bc = formatNumber(bc, lenM);
// 按位加,進位儲存在flag中
int flag = 0;
// 按序從後往前按位求和
for (int i = lenM - 1; i >= 0; i--) {
int t = flag + Integer.parseInt(ad.substring(i, i + 1))
+ Integer.parseInt(bc.substring(i, i + 1));
// 結果超過9,則進位當前位,保留個位數
if (t > 9) {
flag = 1;
t = t - 10;
} else {
flag = 0;
}
// 拼接結果字串
str = "" + t + str;
}
if (flag != 0) {
str = "" + flag + str;
}
return str;
}
// 處理數字串,分離出進位,String陣列第一個為原位數字,第二個為進位
private static String[] dealString(String ac, int lenn) {
String[] str = { ac, "0" };
if (lenn < ac.length()) {
int t = ac.length() - lenn;
str[0] = ac.substring(t);
str[1] = ac.substring(0, t);
// System.out.println("+++++++++");
// System.out.println(str[0]);
// System.out.println(str[1]);
// System.out.println(t);
} else {
// 保證結果length與lenn一致,少於則高位補0
String result = str[0];
for (int i = result.length(); i < lenn; i++) {
result = "0" + result;
}
str[0] = result;
}
return str;
}
// 格式化操作的數字字串,高位補零
private static String formatNumber(String x, int len) {
while (len > x.length()) {
x = "0" + x;
}
return x;
}
public static void main(String[] args) {
String pat = "^[1-9]\\d*$"; // 正則表示式:不以0開頭的數字串
Pattern p = Pattern.compile(pat); // 將給定的正則表示式編譯並賦予給Pattern類
System.out.println("乘數A(不以0開頭的正整數):");
Scanner sc = new Scanner(System.in);
String A = sc.next();
Matcher m = p.matcher(A);
if (!m.matches()) {
System.out.println("數字不合法!");
return;
}
System.out.println("乘數B(不以0開頭的正整數):");
String B = sc.next();
m = p.matcher(B);
if (!m.matches()) {
System.out.println("數字不合法!");
return;
}
// Math.max(A.length(), B.length())比較讀入的字串的長短
System.out.println(A + " * " + B + " = "
+ bigIntMultiply(A, B, Math.max(A.length(), B.length())));
}
}
執行結果顯示: