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整数开平方算法

助工
2014-12-21 10:30:37     打赏
本算法只采用移位、加减法、判断和循环实现,因为它不需要浮点运算,也不需要乘除运算,因此可以很方便地运用到各种芯片上去。

我们先来看看10进制下是如何手工计算开方的。
先看下面两个算式,
= 10*+ q  (1) 公式(1)左右平方之后得:
x^2 = 100*p^2 + 20pq + q^2 (2) 现在假设我们知道x^2和p,希望求出q来,求出了q也就求出了x^2的开方x了。
我们把公式(2)改写为如下格式:
= (x^2 - 100*p^2)/(20*p+q) (3)

这个算式左右都有q,因此无法直接计算出q来,因此手工的开方算法和手工除法算法一样有一步需要猜值。

我们来一个手工计算的例子:计算1234567890的开方

首先我们把这个数两位两位一组分开,计算出最高位为3。也就是(3)中的p,最下面一行的334为余数,也就是公式(3)中的(x^2 - 100*p^2)近似值

       3
    ---------------
    | 12 34 56 78 90
       9
    ---------------
    |  3 34

下面我们要找到一个0-9的数q使它最接近满足公式(3)。我们先把p乘以20写在334左边:

       3  q
    ---------------
    | 12 34 56 78 90
       9
    ---------------
  6q|  3 34

我们看到q为5时(60+q*q)的值最接近334,而且不超过334。于是我们得到:

       3  5
    ---------------
    | 12 34 56 78 90
       9
    ---------------
  65|  3 34
    |  3 25
    ---------------
          9 56

接下来就是重复上面的步骤了,这里就不再啰嗦了。 

这个手工算法其实和10进制关系不大,因此我们可以很容易的把它改为二进制,改为二进制之后,公式(3)就变成了:

= (x^2 - 4*p^2)/(4*p+q) (4)

我们来看一个例子,计算100(二进制1100100)的开方:

      1  0  1  0
    ---------------
    | 1 10 01 00
      1
    ---------------
 100| 0 10 
    | 0 00 
    ---------------
    |   10 01
1001|   10 01
    ---------------
            0 00

这里每一步不再是把p乘以20了,而是把p乘以4,也就是把p右移两位,而由于q的值只能为0或者1,所以我们只需要判断余数(x^2 - 4*p^2)和(4*p+1)的大小关系,如果余数大于等于(4*p+q)那么该上一个1,否则该上一个0。


面给出完成的C语言程序,其中root表示p,rem表示每步计算之后的余数,divisor表示(4*p+1),通过a>>30取a的最高
2位,通过a<<=2将计算后的最高2位剔除。其中root的两次<<1相当于4*p。程序完全是按照手工计算改写的,应该不难
理解。

unsigned short sqrt(unsigned long a){
  unsigned long rem = 0;
  unsigned long root = 0;
  unsigned long divisor = 0;
  for(int i=0; i<16; i++){
    root <<= 1;
    rem = ((rem << 2) + (a >> 30));
    a <<= 2;
    divisor = (root<<1) + 1;
    if(divisor <= rem){
      rem -= divisor;
      root++;
    }
  }
  return (unsigned short)(root);
}

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