我正在寻找确定长值是否为完美平方(即其平方根是另一个整数)的最快方法:

我使用内置的Math.sqrt()以简单的方式完成了这项工作函数,但我想知道是否有一种方法可以通过将自己限制为仅限整数的域。维护查找表是不切实际的(因为平方小于263的231.5个整数)。

下面是我现在做的非常简单明了的方法:

public final static boolean isPerfectSquare(long n)
{
  if (n < 0)
    return false;

  long tst = (long)(Math.sqrt(n) + 0.5);
  return tst*tst == n;
}

注意:我在许多Project Euler问题中都使用了这个函数。因此,其他人将永远不必维护此代码。而这种微优化实际上可能会有所不同,因为挑战的一部分是在不到一分钟的时间内完成每一个算法,而在某些问题中,这个函数需要调用数百万次。


我尝试了不同的解决方案:

经过详尽的测试,我发现不需要在Math.sqrt()的结果上加0.5,至少在我的机器上是这样。快速平方根逆运算速度更快,但对于n>=410881,它给出了错误的结果。然而,正如BobbyShaftoe所建议的,我们可以在n<410881时使用FISR黑客。牛顿的方法比Math.sqrt()慢得多。这可能是因为Math.sqr()使用了类似于牛顿方法的东西,但在硬件中实现,所以比Java快得多。此外,牛顿法仍然需要使用双精度。一个经过修改的牛顿方法使用了一些技巧,因此只涉及整数数学,需要一些技巧来避免溢出(我希望这个函数可以处理所有64位有符号的正整数),而且它仍然比math.sqrt()慢。二元斩更慢。这是有意义的,因为二进制斩波平均需要16次才能找到64位数字的平方根。根据John的测试,在C++中使用or语句比使用switch更快,但在Java和C#中,or和switch之间似乎没有区别。我还尝试创建一个查找表(作为64个布尔值的私有静态数组)。然后,我只说if(lookup[(int)(n&0x3F)]){test}else return false;,而不是switch或or语句;。令我惊讶的是,这(只是稍微)慢了一些。这是因为在Java中检查数组边界。


当前回答

如果你想要速度,考虑到整数的大小是有限的,我想最快的方法是(a)按大小划分参数(例如,按最大位集划分类别),然后对照该范围内的完美平方数组检查值。

其他回答

如果速度是一个问题,为什么不将最常用的一组输入及其值划分到一个查找表中,然后执行您针对特殊情况提出的任何优化魔术算法?

标签中提到了项目Euler,其中的许多问题需要检查数字>>2^64。当您使用80字节缓冲区时,上面提到的大多数优化都不容易工作。

我使用了javaBigInteger和稍微修改过的Newton方法,它对整数更有效。问题是,精确的平方n^2收敛到(n-1)而不是n,因为n^2-1=(n-1)(n+1),最终误差仅比最终除数低一步,算法终止。在计算错误之前,通过在原始参数中添加一个参数很容易解决。(为立方体根等添加两个)

这个算法的一个优点是,你可以立即判断出这个数字是否是一个完美的平方-牛顿方法中的最终误差(不是校正)将为零。一个简单的修改也可以让您快速计算floor(sqrt(x)),而不是最接近的整数。这对于几个Euler问题很方便。

当观察到正方形的最后n位时,我检查了所有可能的结果。通过连续检查更多位,可以消除多达5/6的输入。我实际上是为了实现费马的因子分解算法而设计的,而且速度非常快。

public static boolean isSquare(final long val) {
   if ((val & 2) == 2 || (val & 7) == 5) {
     return false;
   }
   if ((val & 11) == 8 || (val & 31) == 20) {
     return false;
   }

   if ((val & 47) == 32 || (val & 127) == 80) {
     return false;
   }

   if ((val & 191) == 128 || (val & 511) == 320) {
     return false;
   }

   // if((val & a == b) || (val & c == d){
   //   return false;
   // }

   if (!modSq[(int) (val % modSq.length)]) {
        return false;
   }

   final long root = (long) Math.sqrt(val);
   return root * root == val;
}

伪代码的最后一位可用于扩展测试以消除更多值。上述测试针对k=0、1、2、3

a的形式为(3<<2k)-1b的形式为(2<<2k)c的形式为(2<<2k+2)-1d的形式为(2<<2k-1)*10

它首先测试它是否具有幂模为2的平方残差,然后根据最终模量进行测试,然后使用Math.sqrt进行最终测试。我从最上面的帖子中提出了这个想法,并试图扩展它。我感谢任何评论或建议。

更新:使用模数(modSq)和44352的模数基数的测试,我的测试在OP更新中的96%的时间内运行,最多可达1000000000。

你必须做一些基准测试。最佳算法将取决于输入的分布。

您的算法可能接近最佳,但在调用平方根例程之前,您可能需要快速检查以排除某些可能性。例如,通过按位“和”查看十六进制数字的最后一位。完美的正方形只能以0、1、4或9结尾,以16为底。因此,对于75%的输入(假设它们是均匀分布的),可以避免调用平方根,以换取一些非常快的位旋转。

Kip对实现十六进制技巧的以下代码进行了基准测试。当测试数字1到100000000时,此代码的运行速度是原始代码的两倍。

public final static boolean isPerfectSquare(long n)
{
    if (n < 0)
        return false;

    switch((int)(n & 0xF))
    {
    case 0: case 1: case 4: case 9:
        long tst = (long)Math.sqrt(n);
        return tst*tst == n;

    default:
        return false;
    }
}

当我在C++中测试类似的代码时,它实际上比原始代码运行得慢。然而,当我消除switch语句时,十六进制技巧再次使代码速度提高了一倍。

int isPerfectSquare(int n)
{
    int h = n & 0xF;  // h is the last hex "digit"
    if (h > 9)
        return 0;
    // Use lazy evaluation to jump out of the if statement as soon as possible
    if (h != 2 && h != 3 && h != 5 && h != 6 && h != 7 && h != 8)
    {
        int t = (int) floor( sqrt((double) n) + 0.5 );
        return t*t == n;
    }
    return 0;
}

消除switch语句对C#代码几乎没有影响。

这是最简单和最简洁的方法,尽管我不知道它在CPU周期方面的比较。如果您只想知道根是否是整数,那么这非常有用。如果你真的关心它是不是整数,你也可以弄清楚。这里有一个简单(纯)函数:

private static final MathContext precision = new MathContext(20);

private static final Function<Long, Boolean> isRootWhole = (n) -> {
    long digit = n % 10;
    if (digit == 2 || digit == 3 || digit == 7 || digit == 8) {
        return false;
    }
    return new BigDecimal(n).sqrt(precision).scale() == 0;
};

如果您不需要微优化,那么这个答案在简单性和可维护性方面更好。如果要计算负数,则需要相应地处理,并将绝对值发送到函数中。我包含了一个小的优化,因为由于二次残差mod 10,没有完美的正方形具有2、3、7或8的十位数。

在我的CPU上,在0-10000000上运行此算法平均每次计算需要1000-1100纳秒。

如果执行的计算次数较少,则早期的计算需要更长的时间。

我有一个负面评论,说我以前的编辑不适用于大量数据。OP提到了Longs,Long的最大完美正方形是9223372030926249001,因此该方法适用于所有Longs。