C中的双等于0问题答案

【问题标题】：Double equals 0 problem in CC中的双等于0问题
【发布时间】：2011-06-19 00:21:56
【问题描述】：

我正在实现一个算法来计算 C 中的自然对数。

double taylor_ln(int z) {
    double sum = 0.0;
    double tmp = 1.0;

    int i = 1;
    while(tmp != 0.0) {
        tmp = (1.0 / i) * (pow(((z - 1.0) / (z + 1.0)), i));
        printf("(1.0 / %d) * (pow(((%d - 1.0) / (%d + 1.0)), %d)) = %f\n", i, z, z, i, tmp);
        sum += tmp;
        i += 2;
    }

    return sum * 2;
}

如 print 语句所示，tmp 最终确实等于 0.0，但是，循环继续。这可能是什么原因造成的？

我在 Fedora 14 amd64 上编译：

clang -lm -o taylor_ln taylor_ln.c

例子：

$ ./taylor_ln 2
(1.0 / 1) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 1)) = 0.333333
(1.0 / 3) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 3)) = 0.012346
(1.0 / 5) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 5)) = 0.000823
(1.0 / 7) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 7)) = 0.000065
(1.0 / 9) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 9)) = 0.000006
(1.0 / 11) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 11)) = 0.000001
(1.0 / 13) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 13)) = 0.000000
(1.0 / 15) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 15)) = 0.000000
(1.0 / 17) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 17)) = 0.000000
(1.0 / 19) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 19)) = 0.000000
(1.0 / 21) * (pow(((2 - 1.0) / (2 + 1.0)), 21)) = 0.000000
and so on...

【问题讨论】：

哇，四个人同时给出了相同的答案。
看看：stackoverflow.com/questions/4664662/…。如果您不太了解浮点数，可能会非常棘手。
@mgiuca：那么它必须是正确的:-)
如果你使用%g而不是%f来打印浮点数，你会发现它实际上不是零。
When comparing for equality is it okay to use ==?的可能重复

标签： c floating-point logarithm

【解决方案1】：

浮点比较是精确的，所以10^-10和0.0不一样。

基本上，您应该根据您写出的小数位数与一些可容忍的差异进行比较，例如10^-7，可以通过以下方式完成：

while(fabs(tmp) > 10e-7)

【讨论】：

这是必填链接：What Every Computer Scientist Should Know About Floating-Point Arithmetic
两件事：abs是整数运算；使用fabs。并且您希望大于某个阈值，而不是小于。
@chrisaycock：你应该已经给出了答案......它（或简化版本）是这里大多数浮点相关问题的正确答案。
@Ben 每天都会在 SO 上提出此类问题。我认为任何高于一定声誉水平的人在他的 SO 职业生涯中至少发布过一次该链接。
@chrisaycock：我当然有。关于这个问题，真正让我感到惊讶的唯一一点是，它还没有作为副本被关闭，提出了五个不同的问题作为“原始”。

【解决方案2】：

在处理浮点数时不要使用精确的相等运算。尽管您的电话号码可能看起来类似于0，但它可能类似于0.00000000000000000000001。

如果您在格式字符串中使用%.50f 而不是%f，您会看到这一点。后者对小数位使用合理的默认值（在您的情况下为 6），但前者明确声明您需要很多。

为了安全起见，使用delta来检查是否足够接近，例如：

if (fabs (val) < 0.0001) {
    // close enough.
}

显然，增量完全取决于您的需求。如果你说的是钱，10^-5 可能就足够了。如果您是物理学家，您可能应该选择较小的值。

当然，如果你是一名数学家，任何误差都不够小:-)

【讨论】：

【解决方案3】：

仅仅因为数字显示为“0.000000”并不意味着它等于 0.0。数字的十进制显示的精度低于 double 可以存储的精度。

您的算法可能会达到非常接近 0 的点，但下一步移动的幅度很小，以至于它会四舍五入到与之前相同的值，因此它永远不会更接近 0 (只是进入一个无限循环）。

一般来说，您不应将浮点数与== 和!= 进行比较。您应该始终检查它们是否在某个小范围内（通常称为 epsilon）。例如：

while(fabs(tmp) >= 0.0001)

然后它会在合理接近 0 时停止。

【讨论】：

【解决方案4】：

打印语句显示的是一个四舍五入的值，它没有打印尽可能高的精度。所以你的循环还没有真正达到零。

（而且，正如其他人所提到的，由于舍入问题，它实际上可能永远无法达到它。因此，将值与小限制进行比较比将相等性与 0.0 进行比较更可靠。）

【讨论】：

【解决方案5】：

对原因进行了大量讨论，但这里有一个替代解决方案：

double taylor_ln(int z)
{
    double sum = 0.0;
    double tmp, old_sum;
    int i = 1;
    do 
    {
        old_sum = sum;
        tmp = (1.0 / i) * (pow(((z - 1.0) / (z + 1.0)), i));
        printf("(1.0 / %d) * (pow(((%d - 1.0) / (%d + 1.0)), %d)) = %f\n",
               i, z, z, i, tmp);
        sum += tmp;
        i += 2;
    } while (sum != old_sum);
    return sum * 2;
 }

这种方法侧重于 tmp 的每个递减值是否会对总和产生明显的差异。这比从 0 开始计算某个阈值更容易，在该阈值处 tmp 变得微不足道，并且可能在不改变结果的情况下提前终止。

请注意，当您将一个相对较大的数字与一个相对较小的数字相加时，结果中的有效数字会限制精度。相比之下，如果你把几个小的相加然后把它加到大的上，你可能有足够的钱把大的加起来一点。在您的算法中，小 tmp 值并没有相互求和，因此没有累积，除非每个实际影响总和 - 因此上述方法在不进一步影响精度的情况下有效。

【讨论】：