C语言 不使用乘法求一个数的阶乘

wwwo4jvm  于 2023-06-21  发布在  其他
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我需要计算一个数的阶乘而不使用乘法运算符。由于这个限制,我直接尝试使用重复加法。挺管用的。然而,我的程序很难得到更大数字的阶乘。有没有更好的方法来解决这个问题?
下面是我的代码:

void main(){
     unsigned long num = 0, ans = 1, temp = 1;

    printf("Enter a number: ");
    scanf("%lu", &num);

    while (temp <= num){
        int temp2 = 0, ctr = 0;
        while (ctr != temp){
            temp2 += ans;
            ctr ++;
        }
        ans = temp2;
        temp ++;
    }

    printf("%lu! is %lu\n", num, ans);
}
7lrncoxx

7lrncoxx1#

您可以使用位移位和加法来实现更快(比重复加法更快)的乘法函数,以执行二进制的“长乘法”。

unsigned long long mul_ull(unsigned long long a, unsigned long long b)
{
    unsigned long long product = 0;
    unsigned int shift = 0;

    while (b)
    {
        if (b & 1)
        {
            product += a << shift;
        }
        shift++;
        b >>= 1;
    }
    return product;
}

编辑:使用单个比特移位和加法的上述替代实现:

unsigned long long mul_ull(unsigned long long a, unsigned long long b)
{
    unsigned long long product = 0;

    while (b)
    {
        if (b & 1)
        {
            product += a;
        }
        a <<= 1;
        b >>= 1;
    }
    return product;
}

实际上,这是否比重复加法快取决于编译器所做的任何优化。优化编译器可以分析重复的加法并将其替换为乘法。优化编译器也可以分析上面的mul_ull函数的代码,并将其替换为乘法,但优化器可能更难发现。所以在实际中,优化后的重复加法算法比移位加法算法更快是完全合理的!
此外,如果第二个参数b是相乘的数字中的较小者,则mul_ull函数的上述实现将倾向于执行得更好,此时数字中的一个比另一个大得多(这对于阶乘计算是典型的)。执行时间大致与b的对数成正比(当b非零时),但也取决于b的二进制值中1位的数量。因此,对于阶乘计算,将旧的运行乘积放在第一个参数a中,将新的因子放在第二个参数b中。
使用上述乘法函数的阶乘函数:

unsigned long long factorial(unsigned int n)
{
    unsigned long long fac = 1;
    unsigned int i;

    for (i = 2; i <= n; i++)
    {
        fac = mul_ull(fac, i);
    }
    return fac;
}

上面的factorial函数很可能由于算术溢出而产生n> 20的错误结果。需要66位来表示21!但是unsigned long long仅需要64位宽(并且这通常是大多数实现的实际宽度)。

编辑2023-06-07

一个稍微长一点的factorial()函数,如果对n的值有相同的限制,那么它所使用的乘法次数还不到一半。此方法基于2023年3月21日编辑后的https://scicomp.stackexchange.com/q/42510中所示的方法。

unsigned long long factorial(unsigned int n)
{
    unsigned long long fac;
    unsigned int m;
    unsigned int i;

    if (n <= 1)
    {
        fac = 1;
    }
    else
    {
        if ((n & 1) == 0)
        {
            m = n;
            n -= 2;
        }
        else
        {
            m = n + n;
            n -= 3;
        }
        fac = m;
        while (n > 0)
        {
            m += n;
            fac = mul_ull(fac, m);
            n -= 2;
        }
    }
    return fac;
}

例如,它计算9!= 18·24·28·30 = 362880,10!= 10·18·24·28·30 = 3628800。

20jt8wwn

20jt8wwn2#

对于较大的n值,需要使用较大的格式。
因为你不能使用乘法,所以你必须自己实现它似乎是合乎逻辑的。
在实践中,由于只需要加法,所以如果我们不寻求高效率,实现起来并不困难。
一个小问题,无论如何:你必须把输入的整数转换成一个数字数组。由于模是不允许的,我猜,我实现了它的帮助下,snprintf函数。
结果:

100! is 93326215443944152681699238856266700490715968264381621468592963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000

注:此结果是即时提供的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define NDIGITS     1000        // maximum number of digits

struct MyBig {
    int digits[NDIGITS + 2];        // "+2" to ease overflow control
    int degree;
};

void reset (struct MyBig *big) {
    big->degree = 0;
    for (int i = 0; i <= NDIGITS; ++i) big->digits[i] = 0;
}

void create_with_div (struct MyBig *big, int n) {  // not used here
    reset (big);
    while (n != 0) {
        big->digits[big->degree++] = n%10;
        n /= 10;
    }
    if (big->degree != 0) big->degree--;
}

void create (struct MyBig *big, int n) {
    const int ND = 21;
    char dig[ND];
    snprintf (dig, ND, "%d", n);
    int length = strlen (dig);
    
    reset (big);
    big->degree = length - 1;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        big->digits[i] = dig[length - 1 - i] - '0';
    }
}

void print (struct MyBig *big) {
    for (int i = big->degree; i >= 0; --i) {
        printf ("%d", big->digits[i]);
    }
}

void accumul (struct MyBig *a, struct MyBig *b) {
    int carry_out = 0;
    for (int i = 0; i <= b->degree; ++i) {
        int sum = carry_out + a->digits[i] + b->digits[i];
        if (sum >= 10) {
            carry_out = 1;
            a->digits[i] = sum - 10;
        } else {
            carry_out = 0;
            a->digits[i] = sum;
        }
    }
    int degree = b->degree;
    while (carry_out != 0) {
        degree++;
        int sum = carry_out + a->digits[degree];
        carry_out = sum/10;
        a->digits[degree] = sum % 10;
    }
    if (a->degree < degree) a->degree = degree;
    if (degree > NDIGITS) {
        printf ("OVERFLOW!!\n");
        exit (1);
    }
}

void copy (struct MyBig *a, struct MyBig *b) {
    reset (a);
    a->degree = b->degree;
    for (int i = 0; i <= a->degree; ++i) {
        a->digits[i] = b->digits[i];
    }
}

void fact_big (struct MyBig *ans, unsigned int num) {
    create (ans, 1);
    int temp = 1;
    while (temp <= num){
        int ctr = 0;
        struct MyBig temp2;
        reset (&temp2);
        while (ctr != temp){
            accumul (&temp2, ans);
            ctr ++;
        }
        copy (ans, &temp2);
        temp ++;
    }
    return;
}

unsigned long long int fact (unsigned int num) {
    unsigned long long int ans = 1;
    int temp = 1;
    while (temp <= num){
        int ctr = 0;
        unsigned long long int temp2 = 0;
        while (ctr != temp){
            temp2 += ans;
            ctr ++;
        }
        ans = temp2;
        temp ++;
    }
    return ans;
}

void main(){
    unsigned long long int ans;
    unsigned int num;
    
    printf("Enter a number: ");
    scanf("%u", &num);
    
    ans = fact (num);
    printf("%u! is %llu\n", num, ans);
    
    struct MyBig fact;
    fact_big (&fact, num);
    printf("%u! is ", num);
    print (&fact);
    printf ("\n");
}

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