swift2 Swift中的小数到分数转换

cigdeys3  于 2022-11-06  发布在  Swift
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我正在构建一个计算器,希望它能自动将每个小数转换成分数。因此,如果用户计算一个表达式,其答案是“0.333333...",它将返回“1/3”。对于“0.25”,它将返回“1/4”。使用GCD,如这里所示(Decimal to fraction conversion),我已经找到了如何将任意有理数的终止小数转换为小数,但这对任何重复的小数(如.333333)都不起作用。
所有其他的堆栈溢出函数都是Objective-C的,但是我需要在我的swift应用程序中有一个函数!所以这个函数的翻译版本(https://stackoverflow.com/a/13430237/5700898)会很好!
任何关于如何将有理数或重复/无理小数转换为分数(即将“0.1764705882...”转换为3/17)的想法或解决方案都将是伟大的!

nhaq1z21

nhaq1z211#

如果你想将计算结果显示为有理数,那么唯一100%正确的解决方案是在所有计算中使用 * 有理算术 *,即所有中间值都存储为一对整数(numerator, denominator),所有加法、乘法、除法等都使用有理数的规则来完成。
一旦将结果赋给一个 * 二进制浮点数 *(如Double),信息就会丢失。例如,

let x : Double = 7/10

x中存储0.7的 * 近似值 *,因为该数不能精确地表示为Double。From

print(String(format:"%a", x)) // 0x1.6666666666666p-1

可以看到x保持该值

0x16666666666666 * 2^(-53) = 6305039478318694 / 9007199254740992
                           ≈ 0.69999999999999995559107901499373838305

因此,x作为一个有理数的正确表示应该是6305039478318694 / 9007199254740992,但这当然不是你所期望的,你所期望的是7/10,但还有一个问题:

let x : Double = 69999999999999996/100000000000000000

会将完全相同的值指派给x,因此在Double的精确度内,无法将它与0.7区分。
那么x应该显示为7/10还是69999999999999996/100000000000000000呢?
如上所述,使用有理数算法是最好的解决方案。如果这不可行,那么你可以将Double转换回具有给定精度 * 的有理数 *。(以下内容摘自Swift中的双精度LCM算法。)
Continued Fractions是一种有效的方法,可以创建一个(有限或无限)分数序列 hn/kn,这些分数是给定真实的 x 的任意良好近似,下面是Swift中的一个可能实现:

typealias Rational = (num : Int, den : Int)

func rationalApproximationOf(x0 : Double, withPrecision eps : Double = 1.0E-6) -> Rational {
    var x = x0
    var a = floor(x)
    var (h1, k1, h, k) = (1, 0, Int(a), 1)

    while x - a > eps * Double(k) * Double(k) {
        x = 1.0/(x - a)
        a = floor(x)
        (h1, k1, h, k) = (h, k, h1 + Int(a) * h, k1 + Int(a) * k)
    }
    return (h, k)
}

示例:

rationalApproximationOf(0.333333) // (1, 3)
rationalApproximationOf(0.25)     // (1, 4)
rationalApproximationOf(0.1764705882) // (3, 17)

默认精度为1.0E-6,但您可以根据需要进行调整:

rationalApproximationOf(0.142857) // (1, 7)
rationalApproximationOf(0.142857, withPrecision: 1.0E-10) // (142857, 1000000)

rationalApproximationOf(M_PI) // (355, 113)
rationalApproximationOf(M_PI, withPrecision: 1.0E-7) // (103993, 33102)
rationalApproximationOf(M_PI, withPrecision: 1.0E-10) // (312689, 99532)

Swift 3版本:

typealias Rational = (num : Int, den : Int)

func rationalApproximation(of x0 : Double, withPrecision eps : Double = 1.0E-6) -> Rational {
    var x = x0
    var a = x.rounded(.down)
    var (h1, k1, h, k) = (1, 0, Int(a), 1)

    while x - a > eps * Double(k) * Double(k) {
        x = 1.0/(x - a)
        a = x.rounded(.down)
        (h1, k1, h, k) = (h, k, h1 + Int(a) * h, k1 + Int(a) * k)
    }
    return (h, k)
}

示例:

rationalApproximation(of: 0.333333) // (1, 3)
rationalApproximation(of: 0.142857, withPrecision: 1.0E-10) // (142857, 1000000)

或者,如@brandonscript所建议的,使用struct Rational和初始化器:

struct Rational {
    let numerator : Int
    let denominator: Int

    init(numerator: Int, denominator: Int) {
        self.numerator = numerator
        self.denominator = denominator
    }

    init(approximating x0: Double, withPrecision eps: Double = 1.0E-6) {
        var x = x0
        var a = x.rounded(.down)
        var (h1, k1, h, k) = (1, 0, Int(a), 1)

        while x - a > eps * Double(k) * Double(k) {
            x = 1.0/(x - a)
            a = x.rounded(.down)
            (h1, k1, h, k) = (h, k, h1 + Int(a) * h, k1 + Int(a) * k)
        }
        self.init(numerator: h, denominator: k)
    }
}

示例用法:

print(Rational(approximating: 0.333333))
// Rational(numerator: 1, denominator: 3)

print(Rational(approximating: .pi, withPrecision: 1.0E-7))
// Rational(numerator: 103993, denominator: 33102)
8oomwypt

8oomwypt2#

虽然有点晚了,但我也遇到了类似的问题,最后还是构建了Swift FractionFormatter。这是因为你关心的大部分无理数都是普通分数的一部分,很容易验证正确的变换。其余的可能是四舍五入,也可能不是。但是您可以非常接近用户可能生成的任何合理的分数。它被设计为NumberFormatter的替代品。

fae0ux8s

fae0ux8s3#

正如Martin R所说,要得到(99.99%)精确的计算,唯一的方法就是从头到尾用有理数计算一切。
创建这个类的原因还在于我需要非常精确的计算,而这在swift提供的类型中是不可能的。所以我创建了自己的类型。
这是代码,我将在下面解释它。

class Rational {

   var alpha = 0
   var beta = 0

   init(_ a: Int, _ b: Int) {
       if (a > 0 && b > 0) || (a < 0 && b < 0) {
           simplifier(a,b,"+")
       }
       else {
           simplifier(a,b,"-")
       }
   }

   init(_ double: Double, accuracy: Int = -1) {
       exponent(double, accuracy)
   }

   func exponent(_ double: Double, _ accuracy: Int) {
       //Converts a double to a rational number, in which the denominator is of power of 10.

       var exp = 1
       var double = double

       if accuracy != -1 {
           double = Double(NSString(format: "%.\(accuracy)f" as NSString, double) as String)!
       }

       while (double*Double(exp)).remainder(dividingBy: 1) != 0 {
           exp *= 10
       }

       if double > 0 {
           simplifier(Int(double*Double(exp)), exp, "+")
       }
       else {
           simplifier(Int(double*Double(exp)), exp, "-")
       }

   }

   func gcd(_ alpha: Int, _ beta: Int) -> Int {
       // Calculates 'Greatest Common Divisor'

       var inti: [Int] = []
       var multi = 1
       var a = Swift.min(alpha,beta)
       var b = Swift.max(alpha,beta)

           for idx in 2...a {
               if idx != 1 {
                   while (a%idx == 0 && b%idx == 0) {
                       a = a/idx
                       b = b/idx
                       inti.append(idx)
                   }
               }
           }
       inti.map{ multi *= $0 }
       return multi
   }

   func simplifier(_ alpha: Int, _ beta: Int, _ posOrNeg: String) {
       //Simplifies nominator and denominator (alpha and beta) so they are 'prime' to one another.

       let alpha = alpha > 0 ? alpha : -alpha
       let beta = beta > 0 ? beta : -beta

       let greatestCommonDivisor = gcd(alpha,beta)

       self.alpha = posOrNeg == "+" ? alpha/greatestCommonDivisor : -alpha/greatestCommonDivisor
       self.beta = beta/greatestCommonDivisor
   }

}

typealias Rnl = Rational

func *(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.alpha
   let bb = a.beta*b.beta

   return Rational(aa, bb)

}

func /(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.beta
   let bb = a.beta*b.alpha

   return Rational(aa, bb)

}

func +(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.beta + a.beta*b.alpha
   let bb = a.beta*b.beta

   return Rational(aa, bb)

}

func -(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.beta - a.beta*b.alpha
   let bb = a.beta*b.beta

   return Rational(aa, bb)

}

extension Rational {

   func value() -> Double {
       return Double(self.alpha) / Double(self.beta)
   }

}

extension Rational {

   func rnlValue() -> String {

       if self.beta == 1 {
           return "\(self.alpha)"
       }
       else if self.alpha == 0  {
           return "0"
       }
       else {
           return "\(self.alpha) / \(self.beta)"
       }
   }

}

// examples:

let first = Rnl(120,45)
let second = Rnl(36,88)
let third = Rnl(2.33435, accuracy: 2)
let forth = Rnl(2.33435)

print(first.alpha, first.beta, first.value(), first.rnlValue()) // prints  8   3   2.6666666666666665   8 / 3
print((first*second).rnlValue()) // prints  12 / 11
print((first+second).rnlValue()) // prints  203 / 66
print(third.value(), forth.value()) // prints  2.33   2.33435

首先,我们有类本身。类可以用两种方式初始化:
在Rational类中,alpha ~=分母,beta ~=分母
第一种方法是使用两个整数初始化类,第一个是分母,第二个是分母。类得到这两个整数,然后将它们减少到可能的最小数。(10,5)至(2,1)或作为另一个例子,减少了(144、60)至(12,5)。这样,总是存储最简单的数。这可以使用gcd来实现。(最大公约数)函数和简化器函数,这些从代码中并不难理解。唯一的问题是该类面临一些负数的问题,所以它总是保存最终有理数是负的还是正的,如果它是否定的,它使主词是否定的。
第二种初始化类的方法是使用一个双精度型和一个名为“accuracy”的可选参数。该类获取双精度型,以及您需要的小数点后数字的精度,并将双精度型转换为分母/分母形式。其中分母是10的幂。例如,2.334将是2334/1000或342.57将是34257/100。然后尝试使用在#1方式中解释的相同方法来简化有理数。
在类定义之后,有一个类型别名“Rnl”,显然您可以根据需要对其进行更改。
然后有4个函数,用于数学的4个主要操作:* / + -,我定义了它,例如,你可以很容易地将两个有理数相乘。
在此之后,有两个对Rational类型的扩展,其中第一个('value')为您提供了有理数的双精度值,第二个('rnlValue')为您提供了可读字符串形式的有理数:“分子/分母”
最后,您可以看到一些示例来说明所有这些方法是如何工作的。

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