浅谈浮点数运算为什么会产生误差

1. 为什么浮点数运算会产生误差?

计算机中的浮点数是采用指数计数法进行运算的,可以表示的数值范围非常大,但是精度有限。由于计算机中的浮点数采用有限位数来表示,因此会出现一些误差。这是由于计算机中的浮点数不是精确的数值,而是一系列的近似值。

因此,在进行浮点数运算时,可能会出现舍入误差,当数值的小数位过多时,舍入误差会越来越大,导致计算结果与预期结果不同。

2. 浮点数运算的舍入误差

2.1 小数的二进制表示

在计算机中,浮点数采用二进制数来表示小数。例如,十进制数0.1在二进制中是无限循环的,可以表示为:

0.0001100110011001100110011001100110011001100110011......

而计算机中只能存储有限位数的二进制数,因此0.1经过截断后在计算机中的二进制表示是:

0.00011001100110011001100

这样就产生了一个问题,在进行浮点数运算时,可能会出现舍入误差。

2.2 舍入误差的产生

舍入误差是指在进行浮点数运算时,由于精度限制,使得结果与预期结果发生偏差。例如,下面这个例子:

a = 0.1 + 0.2

b = 0.3

print(a == b) # False

在计算机中,0.1和0.2经过二进制转换后会产生舍入误差,因此它们的和0.3与0.3本身并不相等。

在实际应用中,舍入误差可能会被放大,导致计算结果与预期结果差别越来越大。例如,在迭代计算中,舍入误差可能会被反复累加。

2.3 解决舍入误差的方法

解决舍入误差的方法有很多种,常用的方法包括:

使用高精度计算工具

使用高精度计算工具可以避免浮点数运算的舍入误差。例如Python中的decimal模块:

import decimal

a = decimal.Decimal('0.1')

b = decimal.Decimal('0.2')

c = a + b

d = decimal.Decimal('0.3')

print(c == d) # True

使用相似数值进行比较

在比较浮点数时,不应该直接使用等于号进行比较,而应该使用差值的绝对值,例如:

a = 0.1 + 0.2

b = 0.3

if abs(a - b) < 1e-10:

print('Equal')

else:

print('Not equal')

上述代码会把差值小于1e-10的数视为相等。

3. 浮点数溢出和下溢

在计算机中,浮点数采用指数计数法进行表示,因此存在浮点数溢出和下溢的情况。

3.1 浮点数溢出

浮点数溢出是指计算结果超出了计算机所能表示的最大值。例如,32位浮点数的最大值为3.4e38,当计算结果超过这个值时,就会产生浮点数溢出。

3.2 浮点数下溢

浮点数下溢是指计算结果变得过小,无法用计算机表示出来。例如,32位浮点数的最小值为1.2e-38,在进行复杂计算时,可能会出现计算结果变得非常小的情况,导致浮点数下溢。

4. 参考文献

1. Why Floating-Point Numbers May Lose Precision - https://docs.python.org/3/tutorial/floatingpoint.html

2. 浮点数的二进制表示 - https://zh.wikipedia.org/wiki/浮点数

3. Use of floating point numbers in programming languages - https://www.guru99.com/floating-point-numbers.html

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