考虑以下代码:

0.1 + 0.2 == 0.3  ->  false
0.1 + 0.2         ->  0.30000000000000004

为什么会出现这些错误?


当前回答

这些奇怪的数字之所以出现,是因为计算机使用二进制(以2为基数)数字系统进行计算,而我们使用十进制(以10为基数)。

大多数分数不能用二进制或十进制或两者精确表示。结果-四舍五入(但精确)的数字结果。

其他回答

不,不破,但大多数小数必须近似

总结

浮点运算是精确的,不幸的是,它与我们通常的以10为基数的数字表示法不太匹配,所以我们经常给它的输入与我们写的略有不同。

即使是像0.01、0.02、0.03、0.04…0.24这样的简单数字也不能精确地表示为二进制分数。如果你数到0.01、.02、.03…,直到你数到0.25,你才能得到以2为底的第一个分数。如果你尝试使用FP,那么你的0.01会稍微有点偏差,所以要将其中的25个相加到一个精确的0.25,就需要一长串的因果关系,包括保护位和舍入。很难预测,所以我们举手说“FP不准确”,但事实并非如此。

我们不断地给FP硬件一些在基数10中看似简单但在基数2中却是重复的分数。

这是怎么发生的?

当我们用十进制书写时,每个分数(特别是每个终止的小数)都是形式的有理数

          a/(2n x 5m)

在二进制中,我们只得到2n项,即:

a/2n

所以在十进制中,我们不能表示1/3。因为基数10包括2作为素因子,所以我们可以写成二进制分数的每个数字也可以写成基数10的分数。然而,我们写为10进制分数的任何东西都很难用二进制表示。在0.01、0.02、0.03…0.99的范围内,只有三个数字可以用我们的FP格式表示:0.25、0.50和0.75,因为它们是1/4、1/2和3/4,所有的数字都只使用2n项。

在base10中,我们不能表示1/3。但在二进制中,我们不能做1/10或1/3。

因此,虽然每一个二进制分数都可以用十进制来表示,但反过来却不正确。事实上,大多数小数在二进制中重复。

处理它

开发人员通常被要求进行<epsilon比较,更好的建议可能是舍入为整数值(在C库中:round()和round f(),即保持FP格式),然后进行比较。舍入到特定的小数部分长度可以解决大多数输出问题。

此外,在实数运算问题(FP是在早期昂贵的计算机上为之发明的问题)上,宇宙的物理常数和所有其他测量值只为相对较少的有效数字所知,因此整个问题空间无论如何都是“不精确的”。FP“精度”在这种应用中不是问题。

当人们尝试使用FP进行计数时,整个问题就真的出现了。它确实可以做到这一点,但前提是你坚持使用整数值,这会破坏使用它的意义。这就是为什么我们拥有所有这些小数软件库的原因。

我喜欢克里斯的披萨回答,因为它描述了实际问题,而不仅仅是关于“不准确”的通常手写。如果FP只是“不准确”,我们可以修复它,而且几十年前就已经做到了。我们没有这样做的原因是因为FP格式紧凑快速,是处理大量数字的最佳方式。此外,这也是太空时代和军备竞赛以及早期使用小型内存系统解决速度非常慢的计算机的大问题的尝试所留下的遗产。(有时,单个磁芯用于1位存储,但这是另一回事。)

结论

如果您只是在银行数豆子,那么首先使用十进制字符串表示的软件解决方案工作得非常好。但你不能这样做量子色动力学或空气动力学。

由于这篇文章对当前的浮点实现进行了一般性的讨论,我想补充一下,有一些项目正在解决它们的问题。

看看https://posithub.org/例如,它展示了一种称为posit(及其前身unum)的数字类型,它承诺以更少的比特提供更好的精度。如果我的理解是正确的,它也解决了问题中的问题。非常有趣的项目,背后的人是数学家约翰·古斯塔夫森博士。整个过程都是开源的,用C/C++、Python、Julia和C#实现了许多实际的实现(https://hastlayer.com/arithmetics).

浮点舍入错误。从每个计算机科学家应该知道的浮点运算:

将无限多的实数压缩成有限位数需要近似表示。虽然有无限多的整数,但在大多数程序中,整数计算的结果可以存储在32位中。相反,给定任何固定位数,大多数使用实数的计算将产生无法使用那么多位数精确表示的量。因此,浮点计算的结果必须经常舍入,以适应其有限表示。这种舍入误差是浮点计算的特征。

十进制数(如0.1、0.2和0.3)在二进制编码浮点类型中没有精确表示。0.1和0.2的近似值之和与0.3的近似值不同,因此,0.1+0.2==0.3的错误在这里可以更清楚地看到:

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("0.1 + 0.2 == 0.3 is %s\n", 0.1 + 0.2 == 0.3 ? "true" : "false");
    printf("0.1 is %.23f\n", 0.1);
    printf("0.2 is %.23f\n", 0.2);
    printf("0.1 + 0.2 is %.23f\n", 0.1 + 0.2);
    printf("0.3 is %.23f\n", 0.3);
    printf("0.3 - (0.1 + 0.2) is %g\n", 0.3 - (0.1 + 0.2));
    return 0;
}

输出:

0.1 + 0.2 == 0.3 is false
0.1 is 0.10000000000000000555112
0.2 is 0.20000000000000001110223
0.1 + 0.2 is 0.30000000000000004440892
0.3 is 0.29999999999999998889777
0.3 - (0.1 + 0.2) is -5.55112e-17

为了更可靠地计算这些计算,您需要对浮点值使用基于十进制的表示。C标准没有默认指定此类类型,而是作为技术报告中描述的扩展。

_Decimal32、_Decimal64和_Decimal128类型可能在您的系统上可用(例如,GCC在选定的目标上支持它们,但Clang在OS X上不支持它们)。

已经发布了很多好的答案,但我想再补充一个。

并非所有数字都可以通过浮点数/双精度表示例如,在IEEE754浮点标准中,数字“0.2”将以单精度表示为“0.200000003”。

用于在引擎盖下存储实数的模型将浮点数表示为

即使您可以轻松键入0.2,FLT_RADIX和DBL_RADIX都是2;对于使用“IEEE二进制浮点运算标准(ISO/IEC Std 754-1985)”的带有FPU的计算机,不是10。

所以准确地表示这些数字有点困难。即使在没有任何中间计算的情况下显式指定此变量。