Math Problem Statement

4.已知f(n)=1111…111B(n+1个1),计算f(n)的C语言函数f1如下: int f1(unsigned n) { int sum = 1, power = 1; for (unsigned i = 0; i <= n - 1; i++) { power *= 2; sum += power; } return sum; }

将f1中的int都改为 float,可得到计算f(n)的另一个函数f2。

float f2(unsigned n) { float sum = 1, power = 1; for (unsigned i = 0; i <= n - 1; i++) { power *= 2; sum += power; } return sum; } 假设unsigned和int型数据都占32位,float采用IEEE754单精度标准,请回答如下问题: (1)当n = 0时,f1会出现死循环,为什么?若将f1中的变量i和n都定义为int型,则f1是否还会出现死循环?为什么? (2)若使f2(n)的结果不溢出,则最大的n是多少?若使f2(n)的结果精确(无舍入),则最大的n是多少?

Solution

首先,让我们详细分析这两个函数f1和f2的行为。

分析f1函数

函数f1的功能是计算形式为111...111的二进制数(共n+1个1)的十进制值。我们可以通过观察power的倍增和sum的累加来理解这一点。

代码分析

c
int f1(unsigned n) { int sum = 1, power = 1; for (unsigned i = 0; i <= n - 1; i++) { power *= 2; sum += power; } return sum; }

(1)n = 0时,f1会出现死循环,为什么?

n = 0时,循环条件为i <= n - 1,即i <= -1。由于in是无符号整数(unsigned),当n - 1等于-1时,它会被解释为一个非常大的无符号数(即UINT_MAX),导致循环条件永远为真,陷入死循环。

如果将in都定义为int型:

c
int f1(int n) { int sum = 1, power = 1; for (int i = 0; i <= n - 1; i++) { power *= 2; sum += power; } return sum; }

在这种情况下,当n = 0时,循环条件为i <= -1。由于i从0开始,0不小于等于-1,因此循环体一次都不会执行,不会出现死循环。

(2)若使f2(n)的结果不溢出,则最大的n是多少?若使f2(n)的结果精确(无舍入),则最大的n是多少?

现在让我们分析f2函数:

c
float f2(unsigned n) { float sum = 1, power = 1; for (unsigned i = 0; i <= n - 1; i++) { power *= 2; sum += power; } return sum; }

浮点数在IEEE 754单精度标准中有24位有效数字,即有效数字为24比特。

结果不溢出的最大n

浮点数表示形式允许的最大整数值约为 224=167772162^{24} = 16777216,即有效位数为24比特。当sum接近这个值时,sum可能会溢出。因此,需要确保sum不会超过这个数。

由f2函数的定义可知,当n很大时,sum接近于2^(n+1) - 1。因此,当

2n+11<2242^{n+1} - 1 < 2^{24}

n+1<24n+1 < 24

最大n约为23。因此,n的最大值为23。

结果精确的最大n

为了保证结果的精确性,计算过程中的每一步都必须在浮点数的有效位数范围内。即每个sum的增量应在有效位数范围内不会舍入。

由于浮点数单精度有24位有效数字,当我们超过这个范围时,将会出现舍入误差。对于f2函数,sum由不断增加的power构成:

sum=1+2+4++2nsum = 1 + 2 + 4 + \ldots + 2^n

从某一步开始,较小的增量(比如后续2^k)将会由于有效位数的限制而被舍入。因此,n最大应使得累加不导致有效位数之外的数:

2n2^n

这里我们要保证n+1个二进制数(加上最初的1)不超过24位。

因此,最大n应为22,使得结果在精度范围内。

总结

  1. 当n = 0时,f1会出现死循环,因为unsigned类型的n减1会导致非常大的无符号整数,导致死循环。如果将变量i和n都定义为int型,则不会出现死循环,因为循环条件会被正确判断。
  2. 对于f2函数,结果不溢出的最大n是23;而为了保证结果精确的最大n是22。

您是否需要进一步的详细解释或有其他问题?请随时告知。

推荐您考虑以下五个问题:

  1. 如何计算浮点数在特定情况下的误差范围?
  2. 在C语言中,如何处理整数和浮点数转换可能带来的精度问题?
  3. 如何优化循环以避免潜在的溢出风险?
  4. 在实际编程中,如何选择数据类型以保证计算的精度和效率?
  5. 什么是IEEE 754标准,为什么它如此重要?

Tip: 在编程中处理不同数据类型时,尤其是整数和浮点数转换时,要特别注意溢出和精度损失的问题。

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