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《程序是怎样跑起来的》——第3章 计算机进行小数运算时出错的原因

时间:2024-02-18 19:22:53浏览次数:31  
标签:表示 运算 单精度 二进制 浮点数 数值 出错 小数

一、计算机进行小数运算时也会出错
1、计算机不是万能的:计算机在运行的时候绝大多数的时候能得到正确的数值,但依然存在程序运行后无发得到正确数值的情况。小数运算就是这样。
2、示例:将0.1累加100次也得不到10


但与之相反的是,0.1累加00此后的结果是10。正是这样计算机在运行小数的时候也会存在错误的情况。
二、用二进制数表示小数
1、原因:由于计算机内部所有的信息都是以二进制数的形式来处理的,因此在这一点上,整数和小数并无差别。不过,使用二进制数来表示整数和小数的方法却有很大的不同。
2、示例:把1011.0011这个有小数点的二进制数转换成十进制数

只需将个数为数值和位权相乘,然后再将相乘的结果相加即可实现。(位权是用来与各数字位的数字相乘的数值)
三、计算机出错的原因
1、原因:计算机之所以会出现运算错误,是因为“有一些十进制数的小数无法转换成二进制数”。
2、示例:小数点后4位用二进制数表示时的数值范围为0.0000~0.1111。这里只能表示0.5、0.25、0.125、0.0625这四个二进制数小数点后面的位权组合而成(相加总和)的小数。将这些数值组合后能够表示的数值。
小数点后4位能够用二进制数表示的数值二进制数是连续的,十进制数是非连贯的。

实际上,十进制数0.1转换成二进制后,会变成0.00011001100…(1100循环)这样的循环小数。
四、浮点数
1、概念:浮点数是指用符号、尾数、基数和指数这四部分来表示的小数。
2、类型:双精度浮点数和单精度浮点数。(在C语言中,双精度浮点数类型和单精度浮点数类型分别用double和float来表示。)
(1)双精度浮点数:双精度浮点数类型用64位来表示全体小数。
(2)单精度浮点数:单精度浮点数类型用32位来表示全体小数。
3、表现形式:由符号、尾数、基数、指数四部分构成。

因为计算机内部使用的是二进制数,所以基数自然就是2。因此,实际的数据中往往不考虑基数,只用符号、尾数、指数这三部分即可表示浮点数。
4、浮点数范围:

5、浮点数的内部构造:
浮点数的表现方式有很多种,这里我们使用最为普遍的IEEE(IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)是指美国电气和电子工程师协会。该协会制定了计算机领域的各种规定。读作“eye-triple-e,I-3E”。)标准。双精度浮点数和单精度浮点数在表示同一个数值时使用的位数不同。此外,双精度浮点数能够表示的数值范围要大于单精度浮点数。

(1)符号部分是指使用一个数据位来表示数值的符号。该数据位是1时表示负,为0时则表示“正或者0”。这和用二进制数来表示整数时的符号位是同样的。数值的大小用尾数部分和指数部分来表示。
(2)尾数部分用的是“将小数点前面的值固定为1的正则表达式”。
(3)指数部分用的则是“EXCESS系统表现”。
五、正则表达式和EXCESS系统
1、正则表达式:按照特定的规则来表示数据的形式即为正则表达式。除小数之外,字符串以及数据库等,也都有各自的正则表达式。
(1)尾数部分使用正则表达式”,可以将表现形式多样的浮点数统一为一种表现形式。
(2)浮点数可以用不同的形式表现同一个数值:

(3)在二进制数中,我们使用的是“将小数点前面的值固定为1的正则表达式”。具体来讲,就是将二进制数表示的小数左移或右移(这里是逻辑移位。因为符号位是独立的)数次后,整数部分的第1位变为1,第2位之后都变为0(这样是为了消除第2位以上的数位)。
(4)示例:单精度浮点数中,尾数部分是23位,但由于第1位的1被省略了,所以实际上可以表示24位的数值。双精度浮点数的表示方法也是如此,只是位数不同而已。
单精度浮点数尾数部分的正则表达式

2、EXCESS系统
(1)EXCESS系统表现是指,通过将指数部分表示范围的中间值设为0,使得负数不需要用符号来表示。
(2)示例:单精度浮点数指数部分的EXCESS系统表现

六、如何避免计算机计算出错
1、回避策略:无视这些错误。一般来讲,在科学技术计算领域,计算机的计算结果只要能得到近似值就足够了。那些微小的误差完全可以忽略掉。
2、把小数转换成整数:计算机在进行小数计算时可能会出错,但进行整数计算(只要不超过可处理的数值范围)时一定不会出现问题。因此,进行小数的计算时可以暂时使用整数,然后再把计算结果用小数表示出来即可。
3、除此之外,BCD(Binary Coded Decimal )也是一种使用二进制表示十进制的方法。

标签:表示,运算,单精度,二进制,浮点数,数值,出错,小数
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