快速開方開根(整型)

1.原理
因爲排版的原因,用pow(X,Y)表示X的Y次冪,用B[0],B[1],...,B[m-1]表示一個序列,
其中[x]爲下標。

假設:
   B[x],b[x]都是二進制序列,取值0或1。
   M = B[m-1]*pow(2,m-1) + B[m-2]*pow(2,m-2) + ... + B[1]*pow(2,1) + B[0]*pow
(2,0)
   N = b[n-1]*pow(2,n-1) + b[n-2]*pow(2,n-2) + ... + b[1]*pow(2,1) + n[0]*pow
(2,0)
   pow(N,2) = M

   (1) N的最高位b[n-1]可以根據M的最高位B[m-1]直接求得。
   設 m 已知,因爲 pow(2, m-1) <= M <= pow(2, m),所以 pow(2, (m-1)/2) <= N <=
pow(2, m/2)
   如果 m 是奇數,設m=2*k+1,
   那麼 pow(2,k) <= N < pow(2, 1/2+k) < pow(2, k+1),
   n-1=k, n=k+1=(m+1)/2
   如果 m 是偶數,設m=2k,
   那麼 pow(2,k) > N >= pow(2, k-1/2) > pow(2, k-1),
   n-1=k-1,n=k=m/2
   所以b[n-1]完全由B[m-1]決定。
   餘數 M[1] = M - b[n-1]*pow(2, 2*n-2)

   (2) N的次高位b[n-2]可以採用試探法來確定。
   因爲b[n-1]=1,假設b[n-2]=1,則 pow(b[n-1]*pow(2,n-1) + b[n-1]*pow(2,n-2),
2) = b[n-1]*pow(2,2*n-2) + (b[n-1]*pow(2,2*n-2) + b[n-2]*pow(2,2*n-4)),
   然後比較餘數M[1]是否大於等於 (pow(2,2)*b[n-1] + b[n-2]) * pow(2,2*n-4)。這種
比較只須根據B[m-1]、B[m-2]、...、B[2*n-4]便可做出判斷,其餘低位不做比較。
   若 M[1] >= (pow(2,2)*b[n-1] + b[n-2]) * pow(2,2*n-4), 則假設有效,b[n-2] =
1;
   餘數 M[2] = M[1] - pow(pow(2,n-1)*b[n-1] + pow(2,n-2)*b[n-2], 2) = M[1] -
(pow(2,2)+1)*pow(2,2*n-4);
   若 M[1] < (pow(2,2)*b[n-1] + b[n-2]) * pow(2,2*n-4), 則假設無效,b[n-2] =
0;餘數 M[2] = M[1]。

   (3) 同理,可以從高位到低位逐位求出M的平方根N的各位。

使用這種算法計算32位數的平方根時最多隻須比較16次,而且每次比較時不必把M的各位逐
一比較,尤其是開始時比較的位數很少,所以消耗的時間遠低於牛頓迭代法。

2. 流程圖
  (製作中,稍候再上)

3. 實現代碼
這裏給出實現32位無符號整數開方得到16位無符號整數的C語言代碼。

 

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/****************************************/
/*Function: 開根號處理                  */
/*入口參數:被開方數,長整型            */
/*出口參數:開方結果,整型              */
/****************************************/
unsigned int sqrt_16(unsigned long M)
{
    unsigned int N, i;
    unsigned long tmp, ttp;   // 結果、循環計數
    if (M == 0)               // 被開方數,開方結果也爲0
        return 0;

    N = 0;

    tmp = (M >> 30);          // 獲取最高位:B[m-1]
    M <<= 2;
    if (tmp > 1)              // 最高位爲1
    {
        N ++;                 // 結果當前位爲1,否則爲默認的0
        tmp -= N;
    }

    for (i=15; i>0; i--)      // 求剩餘的15位
    {
        N <<= 1;              // 左移一位

        tmp <<= 2;
        tmp += (M >> 30);     // 假設

        ttp = N;
        ttp = (ttp<<1)+1;

        M <<= 2;
        if (tmp >= ttp)       // 假設成立
        {
            tmp -= ttp;
            N ++;
        }

    }

    return N;
}

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