1.从简单的幂运算说起
对于一个接触过一门编程语言的人来说,幂运算是一个最基础的知识了,例如求2的20次方,我们只需要通过如下的代码即可完成
int res = 1;for (int i=0; i<20; i++){res *= 2;}
现在考虑一下这个问题,如果20再大点呢? 200,20000,甚至……
当然,用循环可以解决,但是花费的时间却是以n的速度线性增长,n很大的时候,花的时间也是相当“可观” 。这里先插一句题外话 , long long的最大值也就是2的64次方-1, 也就是说比这个数再大,基础类型就已经存放不下了,如果要求2的200次方,肯定会溢出,所以这里采取一个取模的运算,把最终的结果对1000取模,然后再输出 。
模运算
%就是取模的运算符,但如果像上面说的那样,运算完之后再取模,这是很不现实的,当你中间算到某个值的时候,就了,后面算的就都成了错的,为了避免这个问题,我们可以采用一个数学公式(对证明感兴趣的朋友可以百度)
(A*B)%M = (A%M * B%M) % M (%一般是写成mod,懂意思就行)
有了这个公式,我们可以在求幂的每一步都取模,这样就不会有溢出了
接下来我们看一个例子:
int ans = 1, num=2;for (int i=0; i<2000000000; i++){ans = ans%1000 * num%1000;//求2的二十亿次方}printf("%d\n", ans);
运行结果如下:
可以看出来,这花费的是时间还是相当长的,这对大型项目的影响还是很大的,很有必要提升效率!
2.快速幂
那么,为什么会花这么长的时间?肯定是由于循环的次数太多导致的 。
有没有什么办法减少循环的次数呢?
二十亿太大了,但我们就得想办法只循环一半次数,这样做的代价就是要将2平方,也就是底数变成了4;
啊! 我们成功地把循环次数减少了一半,但十亿也还大,我们可以接着把4接着平方,变成16,循环次数又减少了一半……直到经过不断地平方求出了结果!
这就是快速幂核心的思想:二分法
当然,前面说的都是感性上的认识,接着我们用一个简单的例子严谨地考虑一下
比如:求2的10次方,
首先,把指数10折半,也就是要求4的5次方, 到这一步,发现5没办法再折半了,虽然2.5次方在数学上有意义,但是在编程上确是讲不通的 。这时怎么办呢?我们可以提出来一个4,变成4*4的四次方,保留左边的4,右边就可以接着折半;那,4的4次方又可以变成16的平方;接着16的平方变成256,别忘了之前提出来的4,结果就是1024.我们总共做了
2 * 2=4,4 * 4=16,16 * 16=256,256*4=1024
四次乘法,更严格的来说是logn次,这里n=10,那上面的2的二十亿次方,也取一下对数,大概是30次吧,这真的是太神奇了,!
好了,扯了这么多,该看看代码了,根据上面一步步地计算,我们不难发现一个规律,指数为奇数时,那个底数要提出来一个跟最后的结果相乘,然后进行折半偶数的时候直接进行折半 。折半的最终结果是指数变成1,
换一种说法,我们需要一个变量来保存最后的结果,在快速幂的过程中,如果指数是偶数,我们就先不用管,让它继续去折半(递归),反正要的是最后的得数;如果是奇数的话,我们就需要去乘以这个底数(即提出一项),相当于一个保存的功能,因为这些提出的项,最后肯定也还要乘以到结果中的 。
根据上面的分析,我们来写一下代码
【1.从简单的幂运算说起】int quickPow(int x, int n, int mod)//O(logn){int ans = 1;//初始化while (n>0){if (1==n%2)ans = ans%mod * x%mod;//取模n /= 2;x = x%mod * x%mod;}return ans;}
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