Бинарный поиск для вычисления квадратного корня (Java)

Мне нужна помощь при написании программы, которая использует двоичный поиск, чтобы рекурсивно вычислить квадратный корень (округленный до ближайшего целого) входного неотрицательного целого.

Это то, что у меня есть до сих пор:

import java.util.Scanner;

public class Sqrt {

  public static void main(String[] args) {

    Scanner console = new Scanner(System.in);

    System.out.print("Enter A Valid Integer: ");

    int value = console.nextInt();

    calculateSquareRoot(value);

  }

    public static int calculateSquareRoot(int value) {
      while (value > 0) {
      double sqrt = (int) Math.sqrt(value);
      System.out.println(sqrt);
    }
    return -1;
    }
}

Тот факт, что он должен использовать бинарный поиск для вычисления квадратного корня, является той частью, которая меня путает. Если у кого-то есть предложения по тому, как это сделать, мы будем очень благодарны. Спасибо вам

ОТВЕТЫ

Ответ 1

Teh codez:

def sqrt(n):
  low = 0
  high = n+1
  while high-low > 1:
    mid = (low+high) / 2
    if mid*mid <= n:
      low = mid
    else:
      high = mid
  return low

Чтобы понять это, просто подумайте о инварианте цикла, а именно:

lowlow <= n < highhigh

Если вы понимаете этот код, запись рекурсивной версии должна быть тривиальной.

Ответ 2

Вы можете использовать этот java-метод (Iterative)

public class Solution {
    // basic idea is using binary search
    public int sqrt(int x) {
        if(x == 0 || x == 1) {
            return x;
        }
        int start = 1, end = x / 2;
        while(start <= end) {
            int mid = start + (end - start) / 2;
            if(mid == x / mid) {
                return mid;
            }
            if(mid < x / mid) {
                start = mid + 1;
            } else {
                end = mid - 1;
            }
        }

        return start - 1;
    }
}

Вы можете управлять собственным рекурсивным методом.

Ответ 3

По сути, идея состоит в том, что вы можете использовать бинарный поиск, чтобы приблизиться к ответу.

Например, скажем, вам предоставляется 14 в качестве входных данных. Затем вы уверены, что квадратный корень из 14 находится между 0 и 14. Итак, 0 и 14 являются вашими текущими "границами". Вы делите пополам эти две конечные точки и получаете среднюю точку: 7. Затем вы пробуете 7 в качестве кандидата. Если квадрат 7 больше 14, то у вас есть новая граница (0,7); иначе у вас будет новая граница (7,14).

Вы продолжаете повторять это разделение до тех пор, пока не будете "достаточно близки" к ответу, например, у вас есть квадрат числа, который находится в пределах 14-0.01 и 14 + 0.01 - тогда вы объявляете это как ответ.

Хорошо, этот намек должен быть достаточно хорош для HW. Не забудьте привести StackOverflow.

Ответ 4

Я предполагаю, что это домашняя работа, поэтому я только дам подсказку.

Чтобы вести двоичный поиск, вы выбираете точку как можно ближе к медианному из возможных правильных значений. Таким образом, вопрос становится тем, что является типичным медианным значением для квадратного корня, который является либо постоянным, либо может быть вычислен путем умножения. Очевидно, что использование произвольной константы не будет работать для большинства входов, поэтому вам нужно прийти к своему предположению, умножив ввод на константу.

Что касается того, что должна быть константа C, которую следует умножить, она должна быть выбрана исходя из того, какие значения вы ожидаете в качестве входных данных. Например, если вы ожидаете, что ваши входы будут составлять около 250 000, то:

C * 250,000 ~= sqrt(250,000)
C = sqrt(250,000) / 250,000
C = 500 / 250,000
C = 1 / 500

Ответ 5

В вашем вопросе я вижу две важные вычислительные концепции. Первый - двоичный поиск, второй - рекурсия. Поскольку это домашнее задание, вот вклад в понимание двоичного поиска, рекурсии и того, как думать о них.

Подумайте о бинарном поиске как о разделении решения "пространство" пополам, сохраняя половину решения и последовательно выполняя его, чтобы процесс сходился в решении. Ключевыми понятиями для этого являются то, что вам нужно спроектировать решение "пространство" , которое обладает следующими свойствами:

1) можно подразделить, как правило, на половину или по крайней мере две части

2) двух частей после деления, есть способ определить, какая половина имеет решение, чтобы процесс можно было повторить только на одну половину.

Рекурсия включает функцию (метод в O-O speak), вызывающую себя. Рекурсия отлично работает для процесса, который сходится к выводу. Он либо повторяется навсегда, либо до тех пор, пока у вас не закончится какой-то ресурс, обычно память, и он смертельно остановится. Двумя ключевыми понятиями для рекурсии являются:

1) сходимость через некоторую инвариантность (подробнее об инвариантности ниже).

2) условие прекращения (которое признает достаточную сходимость).

Теперь для вашей корневой корневой программы. Требования к процедуре:

1) Integer ввод.

2) Целочисленное квадратичное приближение, которое дает целое число, наиболее близкое к фактическому квадратному корню.

3) Используйте рекурсию.

4) Используйте двоичный поиск.

Это помогает узнать некоторую математику о квадратных корнях для этого. Также полезны концепции элементарного исчисления и аналитической геометрии. Давайте немного рассуждать.

Имеем произвольное положительное целое число x. Нам нужен его корень y. Если мы выберем тестовое значение для y, мы увидим, является ли он корнем x, если y * y = x. Если y слишком велико, y * y > x. если y слишком мало, y * y < Икс. Мы также знаем, что 0 <= корень <= x и квадратные корни 0 и 1 тривиально равны нулю и 1. Так как мы ищем наибольшее целое число, где y * y <= x (т.е. значение пола), мы Это тоже нужно учитывать.

Вот некоторые математические рассуждения, которые помогут. Мы знаем, что x = y * y, где y - квадратный корень из x. Это означает: y = x/y.

Хммм... что произойдет, если y будет большим, чтобы быть квадратным корнем из x? Затем: x < y * y и: x/y < y, что означает, что x/y также слишком мало, чтобы быть квадратным корнем из x. Таким образом, мы знаем, что для y слишком больших x/y < квадратный корень из x < у. Итак, давайте найдем новый y, скажем y1, между x/y и y в качестве нового тестового значения. Среднее значение x/y и y будет выполнено. y1 = (x/y0 + y0)/2 даст y1, который ближе к квадратному корню из x, чем y0, если y0 слишком велико.

Сходится ли это? Ну, в математике, использующей положительные действительные числа, среднее значение всегда будет выше значения, но приближается к каждой итерации. Это удовлетворяет условию, что мы последовательно разделяем решение "пространство" на две части и знаем, какой из них сохранить. В этом случае мы последовательно вычисляем новые значения ниже предыдущих и ниже которых ответ остается, позволяя отбросить все значения выше нового. Мы останавливаемся, когда достигаем условия, при которых не существует новых значений над ответом. Однако использование компьютеров приводит к бинарным приближениям действительных чисел. С целыми числами в делении происходит усечение. Это может повлиять на конвергенцию выгодно или неблагоприятно. Кроме того, ваш ответ должен быть самым большим целым числом, меньшим или равным квадратному корню. Разумно взглянуть на схожесть, которую мы получим.

Вследствие целочисленного деления, y1 = (x/y0 + y0)/2 будет сходиться до тех пор, пока последующие итерации не достигнут целочисленного корня или значения пола для (т.е. наибольшего целого числа меньше) корня. Это идеально. Если мы начнем с предлагаемого значения для корня, который должен быть больше корня, скажем, самого х, первое значение для yn, где yn * yn <= x - желаемый результат.

Простой ответ заключается в том, что, когда мы начинаем с y0 > y, первый новый yn, который меньше или равен y, то y - yn < 1. То есть yn теперь является значением пола, для которого мы смотрели, и теперь у нас есть условие завершения, которое точно удовлетворяет условиям для требуемого ответа.

Вот основные итеративные и рекурсивные решения. Решения не включают функции безопасности, чтобы отрицательные значения не вводились для x. Одна из главных проблем заключается в том, чтобы избежать деления на ноль, если кто-то хочет найти квадратный корень из 0. Так как это тривиальный ответ, как рекурсивные, так и итеративные методы возвращают 0 до деления на ноль. И рекурсивные, и итеративные решения работают с тривиальными случаями для нахождения квадратных корней из 0 и 1.

Существует еще один анализ, который всегда должен выполняться с помощью int и длинной арифметики в Java. Основная проблема заключается в переполнении целых чисел, поскольку Java ничего не делает о int или long overflow. Переполнение приводит к значениям двух добавочных значений (посмотрите, что в другом месте), что может привести к фиктивным результатам, и Java не генерирует исключений с int или long overflow.

В этом случае легко избежать арифметики, которая может привести к внутреннему переполнению с большими значениями x. Если мы создадим условие завершения, такое как y0 * y0 < x мы рискуем переполнить, если x больше квадратного корня Integer.MAX_VALUE, так как y0 * y0, промежуточное значение, сразу превысит максимальное значение int. Однако мы можем изменить условие завершения на y0 < x/y0. У нас все еще есть проблема с вычислениями: ((x/y0) + y0)/2) если x и y0 являются Integer.MAX_VALUE, так как он будет пытаться Integer.MAX_VALUE + 1. Однако мы всегда можем начинать со значения, меньшего х, что гарантировано > у. x/2 работает для всех значений x > 1. Так как квадратный корень из x, где x равен либо 0, либо 1, просто x, мы можем легко проверить эти значения и просто вернуть правильное и тривиальное значение. Вы можете создать код, чтобы предотвратить использование значений < 0 или значения > Integer.MAX_VALUE. То же самое можно применить, если мы используем long вместо int. Добро пожаловать в компьютер в реальном мире!

public static int intSqRootRecursive (int x) {
    // square roots of 0 and 1 are trivial and x / 2 for
    // the y0 parameter will cause a divide-by-zero exception
    if (x == 0 || x == 1) {
        return x;
    }
    // starting with x / 2 avoids overflow issues
    return intSqRootRecursive (x, x / 2);
} // end intSqRootRecursive

private static int intSqRootRecursive(int x, int y0) {
    // square roots of 0 and 1 are trivial
    // y0 == 0 will cause a divide-by-zero exception
    if (x == 0 || x == 1) {
        return x;
    } // end if
    if (y0 > x / y0) {
        int y1 = ((x / y0) + y0) / 2;
        return intSqRootRecursive(x, y1);
    } else {
        return y0;
    } // end if...else
} // end intSqRootRecursive

public static int intSqRootIterative(int x) {
    // square roots of 0 and 1 are trivial and
    // y == 0 will cause a divide-by-zero exception
    if (x == 0 || x == 1) {
        return x;
    } // end if
    int y;
    // starting with y = x / 2 avoids overflow issues
    for (y = x / 2; y > x / y; y = ((x / y) + y) / 2);
    return y;
} // end intSqRootIterative

Вы можете протестировать рекурсивное решение, чтобы узнать, сколько экземпляров приведет к стеку кадров, но вы увидите, что он сходится очень быстро. Интересно видеть, что итеративное решение намного меньше и быстрее, чем рекурсивное, что часто бывает не так, и поэтому рекурсия используется, когда можно предсказать, что ресурсы стека достаточны для глубины рекурсии.

Ответ 6

Вот рекурсивное решение в Java, использующее двоичный поиск:

public class FindSquareRoot {

    public static void main(String[] args) {
        int inputNumber = 50;
        System.out.println(findSquareRoot(1, inputNumber, inputNumber));
    }

    public static int findSquareRoot(int left, int right, int inputNumber){

        // base condition
        if (inputNumber ==0 || inputNumber == 1){
            return inputNumber;
        }

        int mid = (left + right)/2;

        // if square of mid value is less or equal to input value and 
        // square of mid+1 is less than input value. We found the answer. 
        if (mid*mid <= inputNumber && (mid+1)*(mid+1) > inputNumber){
            return mid;
        }

        // if input number is greater than square of mid, we need 
        // to find in right hand side of mid else in left hand side.
        if (mid*mid < inputNumber){
            return findSquareRoot(mid+1, right, inputNumber);
        }
        else{
            return findSquareRoot(left, mid-1, inputNumber);
        }

    }
}

Ответ 7

Итеративное двоичное решение:

public static double sqrt(int n) {

    double low = 0;
    double high = n;
    double mid = (high - low) / 2;

    while (Math.abs((mid * mid) - n) > 0.000000000001) {
        if ((mid * mid) > n) {

            high = mid;
            mid = (high - low) / 2;

        } else{

            low = mid;
            mid = mid + ((high - low) / 2);

        }
    }
    return mid;
}

Ответ 8

Решение

edst хорошее, но в строке 11 есть ошибка:

mid = (high - low) / 2;

должен быть

mid = low + (high - low) / 2;