大數(shù)乘法
基本思想:
輸入字符串,轉(zhuǎn)成char數(shù)組,轉(zhuǎn)成int數(shù)組。采用分治思想,每一位的相乘;
- 公式:AB*CD = AC (BC+AD) BD
=任意位數(shù)的整數(shù)相乘,最終都是可以轉(zhuǎn)化為兩位數(shù)相乘。但是,不同位的兩位數(shù)乘的結(jié)果,最后應該如何拼接呢?這需要我們來找下更深層次的規(guī)律。分析一下四位數(shù)的乘法
1 2 3 4
* 5 6 7 8
------------------------
9 8 7 2
8 6 3 8
7 4 0 4
6 1 7 0
------------------------
7 0 0 6 6 5 2
結(jié)果看起來沒什么特別的,如果按照我們分治的思想,轉(zhuǎn)換為兩位數(shù)相乘,之間能否有些關系呢?
1234分為 12(高位)和34(低位);5678分為56(高位)和78(低位)
高位高位結(jié)果:1256=672
高位低位+低位高位:1278+3456=936+1094=2840
低位低位結(jié)果:3478=2652
最后,拼接。需要說明的是,剛才我們提到兩位數(shù)分解成一位數(shù)相乘的規(guī)則:超過一位數(shù),需要進位。同理(這里就不證明了),兩位數(shù)乘以兩位數(shù),結(jié)果超過兩位數(shù),也要進位。
從低位開始:低兩位:2652,26進位,低位保留52;中間兩位,2840+26(低位進位)=2866,28進位,中位保留66;高位,672+28(進位)=700,7進位,高位保留00。再往上就沒有了,現(xiàn)在可以拼接起來:最高位進位7,高兩位00,中位66,低位52,最后結(jié)果:7006652。
規(guī)律
任意位數(shù)(例如N位整數(shù)相乘),都可以用這種思想實現(xiàn):低位保留 N 位數(shù)字串,多余高位進位;高位要加上低位進位,如果超過 N 位,依然只保留 N 位,高位進位。(如果是M位整數(shù)乘以N位整數(shù)怎么辦?高位補0,湊成一樣位數(shù)的即可,不贅述。)
代碼如下:
import java.util.Scanner;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;
public class multipliers {
// 規(guī)模只要在這個范圍內(nèi)可以直接計算(整型數(shù)值滿足)
private final static int SIZE = 4;
// 其中,len為X、Y的長度最大值
private static String bigIntMultiply(String X, String Y, int len) {
String str = "";
if (len <= SIZE) { // 少于4位數(shù),可直接計算
return "" + (Integer.parseInt(X) * Integer.parseInt(Y));
}
if (X.length() != Y.length()) { // 長度不同,調(diào)用formatNumber方法,補齊X、Y,使之長度相同
X = formatNumber(X, len);
Y = formatNumber(Y, len);
}
// 將X、Y分別對半分成兩部分
int len1 = len / 2;
int len2 = len - len1;
String A = X.substring(0, len1);
String B = X.substring(len1);
String C = Y.substring(0, len1);
String D = Y.substring(len1);
// 乘法法則,分塊處理
int lenM = Math.max(len1, len2);
String AC = bigIntMultiply(A, C, len1);
String AD = bigIntMultiply(A, D, lenM);
String BC = bigIntMultiply(B, C, lenM);
String BD = bigIntMultiply(B, D, len2);
// 注意處理進位的方法,巧妙地運用了字符串的拼接方面
// 【1】 處理BD,得到原位及進位
String[] sBD = dealString(BD, len2);
// 【2】 處理AD + BC的和
String ADBC = add(AD, BC);
// 【3】 加上BD的進位
if (!"0".equals(sBD[1])) {
ADBC = add(ADBC, sBD[1]);
}
// 【4】 得到ADBC的進位
String[] sADBC = dealString(ADBC, lenM);
// 【5】 AC加上ADBC的進位
AC = add(AC, sADBC[1]);
// 【6】 最終結(jié)果
str = AC + sADBC[0] + sBD[0];
return str;
}
// 兩個數(shù)字串按位加
private static String add(String ad, String bc) {
// 返回的結(jié)果
String str = "";
// 兩字符串長度要相同
int lenM = Math.max(ad.length(), bc.length());
ad = formatNumber(ad, lenM);
bc = formatNumber(bc, lenM);
// 按位加,進位存儲在flag中
int flag = 0;
// 按序從后往前按位求和
for (int i = lenM - 1; i >= 0; i--) {
int t = flag + Integer.parseInt(ad.substring(i, i + 1))
+ Integer.parseInt(bc.substring(i, i + 1));
// 結(jié)果超過9,則進位當前位,保留個位數(shù)
if (t > 9) {
flag = 1;
t = t - 10;
} else {
flag = 0;
}
// 拼接結(jié)果字符串
str = "" + t + str;
}
if (flag != 0) {
str = "" + flag + str;
}
return str;
}
// 處理數(shù)字串,分離出進位,String數(shù)組第一個為原位數(shù)字,第二個為進位
private static String[] dealString(String ac, int lenn) {
String[] str = { ac, "0" };
if (lenn < ac.length()) {
int t = ac.length() - lenn;
str[0] = ac.substring(t);
str[1] = ac.substring(0, t);
} else {
// 保證結(jié)果length與lenn一致,少于則高位補0
String result = str[0];
for (int i = result.length(); i < lenn; i++) {
result = "0" + result;
}
str[0] = result;
}
return str;
}
// 格式化操作的數(shù)字字符串,高位補零
private static String formatNumber(String x, int len) {
while (len > x.length()) {
x = "0" + x;
}
return x;
}
public static void main(String[] args) {
String pat = "^[1-9]\\d*$"; // 正則表達式:不以0開頭的數(shù)字串
Pattern p = Pattern.compile(pat); // 將給定的正則表達式編譯并賦予給Pattern類
System.out.println("乘數(shù)A(不以0開頭的正整數(shù)):");
Scanner sc = new Scanner(System.in);
String A = sc.next();
Matcher m = p.matcher(A);
if (!m.matches()) {
System.out.println("數(shù)字不合法!");
return;
}
System.out.println("乘數(shù)B(不以0開頭的正整數(shù)):");
String B = sc.next();
m = p.matcher(B);
if (!m.matches()) {
System.out.println("數(shù)字不合法!");
return;
}
// Math.max(A.length(), B.length())比較讀入的字符串的長短
System.out.println(A + " * " + B + " = "
+ bigIntMultiply(A, B, Math.max(A.length(), B.length())));
}
}