BigDecimal的对数

mas*_*her 41 java logarithm bigdecimal

如何计算BigDecimal的对数?有谁知道我可以使用的任何算法?

到目前为止,我的谷歌搜索已经提出了(无用的)只需转换为双精度并使用Math.log的想法.

我将提供所需答案的精确度.

编辑:任何基地都会这样做.如果它在基数x中更容易,我会这样做.

Pet*_*ter 21

Java Number Cruncher:Java程序员数值计算指南使用牛顿方法提供了一个解决方案.书中的源代码可在此处获得.以下内容摘自第12.5Big Decmial Functions(p330&p331):

/**
 * Compute the natural logarithm of x to a given scale, x > 0.
 */
public static BigDecimal ln(BigDecimal x, int scale)
{
    // Check that x > 0.
    if (x.signum() <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("x <= 0");
    }

    // The number of digits to the left of the decimal point.
    int magnitude = x.toString().length() - x.scale() - 1;

    if (magnitude < 3) {
        return lnNewton(x, scale);
    }

    // Compute magnitude*ln(x^(1/magnitude)).
    else {

        // x^(1/magnitude)
        BigDecimal root = intRoot(x, magnitude, scale);

        // ln(x^(1/magnitude))
        BigDecimal lnRoot = lnNewton(root, scale);

        // magnitude*ln(x^(1/magnitude))
        return BigDecimal.valueOf(magnitude).multiply(lnRoot)
                    .setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
    }
}

/**
 * Compute the natural logarithm of x to a given scale, x > 0.
 * Use Newton's algorithm.
 */
private static BigDecimal lnNewton(BigDecimal x, int scale)
{
    int        sp1 = scale + 1;
    BigDecimal n   = x;
    BigDecimal term;

    // Convergence tolerance = 5*(10^-(scale+1))
    BigDecimal tolerance = BigDecimal.valueOf(5)
                                        .movePointLeft(sp1);

    // Loop until the approximations converge
    // (two successive approximations are within the tolerance).
    do {

        // e^x
        BigDecimal eToX = exp(x, sp1);

        // (e^x - n)/e^x
        term = eToX.subtract(n)
                    .divide(eToX, sp1, BigDecimal.ROUND_DOWN);

        // x - (e^x - n)/e^x
        x = x.subtract(term);

        Thread.yield();
    } while (term.compareTo(tolerance) > 0);

    return x.setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
}

/**
 * Compute the integral root of x to a given scale, x >= 0.
 * Use Newton's algorithm.
 * @param x the value of x
 * @param index the integral root value
 * @param scale the desired scale of the result
 * @return the result value
 */
public static BigDecimal intRoot(BigDecimal x, long index,
                                 int scale)
{
    // Check that x >= 0.
    if (x.signum() < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("x < 0");
    }

    int        sp1 = scale + 1;
    BigDecimal n   = x;
    BigDecimal i   = BigDecimal.valueOf(index);
    BigDecimal im1 = BigDecimal.valueOf(index-1);
    BigDecimal tolerance = BigDecimal.valueOf(5)
                                        .movePointLeft(sp1);
    BigDecimal xPrev;

    // The initial approximation is x/index.
    x = x.divide(i, scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

    // Loop until the approximations converge
    // (two successive approximations are equal after rounding).
    do {
        // x^(index-1)
        BigDecimal xToIm1 = intPower(x, index-1, sp1);

        // x^index
        BigDecimal xToI =
                x.multiply(xToIm1)
                    .setScale(sp1, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

        // n + (index-1)*(x^index)
        BigDecimal numerator =
                n.add(im1.multiply(xToI))
                    .setScale(sp1, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

        // (index*(x^(index-1))
        BigDecimal denominator =
                i.multiply(xToIm1)
                    .setScale(sp1, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

        // x = (n + (index-1)*(x^index)) / (index*(x^(index-1)))
        xPrev = x;
        x = numerator
                .divide(denominator, sp1, BigDecimal.ROUND_DOWN);

        Thread.yield();
    } while (x.subtract(xPrev).abs().compareTo(tolerance) > 0);

    return x;
}

/**
 * Compute e^x to a given scale.
 * Break x into its whole and fraction parts and
 * compute (e^(1 + fraction/whole))^whole using Taylor's formula.
 * @param x the value of x
 * @param scale the desired scale of the result
 * @return the result value
 */
public static BigDecimal exp(BigDecimal x, int scale)
{
    // e^0 = 1
    if (x.signum() == 0) {
        return BigDecimal.valueOf(1);
    }

    // If x is negative, return 1/(e^-x).
    else if (x.signum() == -1) {
        return BigDecimal.valueOf(1)
                    .divide(exp(x.negate(), scale), scale,
                            BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
    }

    // Compute the whole part of x.
    BigDecimal xWhole = x.setScale(0, BigDecimal.ROUND_DOWN);

    // If there isn't a whole part, compute and return e^x.
    if (xWhole.signum() == 0) return expTaylor(x, scale);

    // Compute the fraction part of x.
    BigDecimal xFraction = x.subtract(xWhole);

    // z = 1 + fraction/whole
    BigDecimal z = BigDecimal.valueOf(1)
                        .add(xFraction.divide(
                                xWhole, scale,
                                BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN));

    // t = e^z
    BigDecimal t = expTaylor(z, scale);

    BigDecimal maxLong = BigDecimal.valueOf(Long.MAX_VALUE);
    BigDecimal result  = BigDecimal.valueOf(1);

    // Compute and return t^whole using intPower().
    // If whole > Long.MAX_VALUE, then first compute products
    // of e^Long.MAX_VALUE.
    while (xWhole.compareTo(maxLong) >= 0) {
        result = result.multiply(
                            intPower(t, Long.MAX_VALUE, scale))
                    .setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
        xWhole = xWhole.subtract(maxLong);

        Thread.yield();
    }
    return result.multiply(intPower(t, xWhole.longValue(), scale))
                    .setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
}
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  • 对'Thread.yield()`的调用不应该存在.如果您的目标是使计算密集型线程成为"好公民",那么您可以用一些代码替换它来测试Thread的"中断"标志并挽救.但是调用`Thread.yield()`会干扰正常的线程调度,并且可能会使方法运行*非常慢*...取决于正在发生的其他事情. (13认同)
  • 请注意,这个答案并不完整,缺少`exp()`和`intRoot()`的代码. (8认同)
  • 为什么不使用Math.log()作为第一个近似值? (5认同)

kqu*_*inn 8

一个适用于大数字的hacky小算法使用这种关系log(AB) = log(A) + log(B).以下是如何在基数10(您可以轻松转换为任何其他对数基数)中执行此操作:

  1. 计算答案中的小数位数.这是对数的组成部分,加上一个.示例:floor(log10(123456)) + 1是6,因为123456有6位数.

  2. 如果您只需要对数的整数部分,则可以在此处停止:只需从步骤1的结果中减去1即可.

  3. 要获得对数的小数部分,除以数字10^(number of digits),然后计算使用的对数math.log10()(或者其他;如果没有别的可用则使用简单的序列近似),并将其添加到整数部分.示例:获取小数部分log10(123456),计算math.log10(0.123456) = -0.908...并将其添加到步骤1的结果中:6 + -0.908 = 5.092log10(123456).请注意,您基本上只是将小数点添加到大数字的前面; 在你的用例中可能有一种很好的方法来优化它,对于非常大的数字你甚至不需要费心去抓取所有的数字 - 这log10(0.123)是一个很好的近似值log10(0.123456789).

  • 这种方法如何不适用于任意精度?你给我一个数字和一个容差,我可以用那个算法来计算它的对数,绝对误差保证小于你的容差。我会说这意味着它适用于任意精度。 (2认同)

Dav*_*d Z 6

你可以使用分解它

log(a * 10^b) = log(a) + b * log(10)
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基本上b+1是数字中的位数,并且a是 0 到 1 之间的值,您可以使用常规double算术计算其对数。

或者您可以使用一些数学技巧 - 例如,可以通过级数展开来计算接近 1 的数字的对数

ln(x + 1) = x - x^2/2 + x^3/3 - x^4/4 + ...
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根据您想要取对数的数字,您可能可以使用类似的东西。

编辑:要获得以 10 为底的对数,您可以将自然对数除以ln(10),或类似地除以任何其他底数。


Mar*_*mus 6

这个超级快,因为:

  • 没有 toString()
  • 没有BigInteger数学(牛顿/续分数)
  • 甚至没有实例化新的 BigInteger
  • 仅使用固定数量的非常快速的操作

一个呼叫大约需要20微秒(每秒大约50k个呼叫)

但:

  • 只适用于 BigInteger

解决方法BigDecimal(未测试速度):

  • 移动小数点,直到值> 2 ^ 53
  • 使用toBigInteger()(div内部使用一个)

该算法利用了以下事实:可以将对数计算为指数与尾数的对数之和.例如:

12345有5位数,所以基数10日志在4到5之间.log(12345)= 4 + log(1.2345)= 4.09149 ...(基数10日志)


此函数计算基数2日志,因为查找占用位数是微不足道的.

public double log(BigInteger val)
{
    // Get the minimum number of bits necessary to hold this value.
    int n = val.bitLength();

    // Calculate the double-precision fraction of this number; as if the
    // binary point was left of the most significant '1' bit.
    // (Get the most significant 53 bits and divide by 2^53)
    long mask = 1L << 52; // mantissa is 53 bits (including hidden bit)
    long mantissa = 0;
    int j = 0;
    for (int i = 1; i < 54; i++)
    {
        j = n - i;
        if (j < 0) break;

        if (val.testBit(j)) mantissa |= mask;
        mask >>>= 1;
    }
    // Round up if next bit is 1.
    if (j > 0 && val.testBit(j - 1)) mantissa++;

    double f = mantissa / (double)(1L << 52);

    // Add the logarithm to the number of bits, and subtract 1 because the
    // number of bits is always higher than necessary for a number
    // (ie. log2(val)<n for every val).
    return (n - 1 + Math.log(f) * 1.44269504088896340735992468100189213742664595415298D);
    // Magic number converts from base e to base 2 before adding. For other
    // bases, correct the result, NOT this number!
}
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