考虑以下代码:

0.1 + 0.2 == 0.3  ->  false
0.1 + 0.2         ->  0.30000000000000004

为什么会出现这些错误?


当前回答

鉴于没有人提到这一点。。。

一些高级语言(如Python和Java)提供了克服二进制浮点限制的工具。例如:

Python的十进制模块和Java的BigDecimal类,它们在内部使用十进制表示法(与二进制表示法相反)表示数字。两者都有有限的精度,因此它们仍然容易出错,但它们解决了二进制浮点运算中最常见的问题。小数在处理金钱时很好:10美分加20美分总是正好是30美分:>>> 0.1 + 0.2 == 0.3错误>>>十进制('0.1')+十进制('0.2')==十进制('0.3')真的Python的十进制模块基于IEEE标准854-1987。Python的分数模块和Apache Common的BigFraction类。两者都将有理数表示为(分子、分母)对,它们可能给出比十进制浮点运算更精确的结果。

这两种解决方案都不是完美的(特别是如果我们考虑性能,或者如果我们需要非常高的精度),但它们仍然解决了二进制浮点运算的大量问题。

其他回答

在硬件级别,浮点数表示为二进制数的分数(以2为基数)。例如,小数:

0.125

具有1/10+2/100+5/1000的值,并且以相同的方式,具有二进制分数:

0.001

值为0/2+0/4+1/8。这两个分数具有相同的值,唯一的区别是第一个是小数,第二个是二进制分数。

不幸的是,大多数十进制分数不能用二进制分数表示。因此,通常情况下,您给出的浮点数仅近似于存储在机器中的二进制分数。

这个问题在基础10中更容易解决。以分数1/3为例。您可以将其近似为小数:

0.3

或更好,

0.33

或更好,

0.333

无论你写了多少个小数点,结果永远不会精确到1/3,但这是一个总是更接近的估计。

同样,无论使用多少个以2为基数的小数位数,小数值0.1都不能精确地表示为二进制小数。在基数2中,1/10是以下周期数:

0.0001100110011001100110011001100110011001100110011 ...

停止在任何有限数量的比特,你会得到一个近似值。

对于Python,在典型的机器上,53位用于浮点的精度,因此输入小数0.1时存储的值是二进制小数。

0.00011001100110011001100110011001100110011001100110011010

其接近但不完全等于1/10。

很容易忘记存储的值是原始小数的近似值,因为在解释器中显示浮点的方式。Python只显示二进制存储值的十进制近似值。如果Python要输出存储为0.1的二进制近似值的真正十进制值,它将输出:

>>> 0.1
0.1000000000000000055511151231257827021181583404541015625

这比大多数人预期的小数位数要多得多,因此Python显示舍入值以提高可读性:

>>> 0.1
0.1

重要的是要理解,在现实中这是一种错觉:存储的值不完全是1/10,只是在显示器上存储的值被舍入。当您使用这些值执行算术运算时,这一点就会变得明显:

>>> 0.1 + 0.2
0.30000000000000004

这种行为是机器浮点表示的本质所固有的:它不是Python中的错误,也不是代码中的错误。你可以在所有其他语言中观察到相同类型的行为​​使用硬件支持计算浮点数(尽管有些语言​​默认情况下不使差异可见或在所有显示模式下不可见)。

另一个令人惊讶的地方就在这一点上。例如,如果尝试将值2.675舍入到两位小数,则会得到

>>> round (2.675, 2)
2.67

round()原语的文档表明它舍入到离零最近的值。由于小数正好在2.67和2.68之间的一半,因此应该可以得到2.68(二进制近似值)。然而,情况并非如此,因为当小数2.675转换为浮点时,它由精确值为:

2.67499999999999982236431605997495353221893310546875

由于近似值比2.68略接近2.67,因此舍入值降低。

如果您处于小数向下舍入的情况,那么应该使用十进制模块。顺便说一下,十进制模块还提供了一种方便的方式来“查看”为任何浮点存储的确切值。

>>> from decimal import Decimal
>>> Decimal (2.675)
>>> Decimal ('2.67499999999999982236431605997495353221893310546875')

0.1不是精确存储在1/10中这一事实的另一个结果是十个值的总和​​0.1也不等于1.0:

>>> sum = 0.0
>>> for i in range (10):
... sum + = 0.1
...>>> sum
0.9999999999999999

二进制浮点数的算术有很多这样的惊喜。“0.1”的问题将在下文“表示错误”一节中详细解释。有关此类惊喜的更完整列表,请参阅浮点运算的危险。

确实没有简单的答案,但是不要对浮动虚拟数字过分怀疑!在Python中,浮点数操作中的错误是由底层硬件造成的,在大多数机器上,每次操作的错误率不超过1/2*53。这对于大多数任务来说都是非常必要的,但您应该记住,这些操作不是十进制操作,并且对浮点数字的每一次操作都可能会出现新的错误。

尽管存在病态的情况,但对于大多数常见的用例,您只需在显示器上舍入到所需的小数位数,就可以在最后得到预期的结果。有关如何显示浮点数的详细控制,请参阅字符串格式语法以了解str.format()方法的格式规范。

答案的这一部分详细解释了“0.1”的示例,并展示了如何自己对此类案例进行精确分析。我们假设您熟悉浮点数的二进制表示。术语表示错误意味着大多数小数不能用二进制精确表示。这就是为什么Python(或Perl、C、C++、Java、Fortran等)通常不会以十进制显示精确结果的主要原因:

>>> 0.1 + 0.2
0.30000000000000004

为什么?1/10和2/10不能用二进制分数精确表示。然而,今天(2010年7月)所有的机器都遵循IEEE-754标准来计算浮点数。大多数平台使用“IEEE-754双精度”来表示Python浮点。双精度IEEE-754使用53位精度,因此在读取时,计算机尝试将0.1转换为J/2*N形式的最接近分数,J正好是53位的整数。重写:

1/10 ~ = J / (2 ** N)

in :

J ~ = 2 ** N / 10

记住J正好是53位(所以>=2**52但<2**53),N的最佳可能值是56:

>>> 2 ** 52
4503599627370496
>>> 2 ** 53
9007199254740992
>>> 2 ** 56/10
7205759403792793

因此,56是N的唯一可能值,正好为J保留53位。因此,J的最佳可能值是这个商,四舍五入:

>>> q, r = divmod (2 ** 56, 10)
>>> r
6

由于进位大于10的一半,通过四舍五入获得最佳近似值:

>>> q + 1
7205759403792794

因此,“IEEE-754双精度”中1/10的最佳近似值为2**56以上,即:

7205759403792794/72057594037927936

注意,由于四舍五入是向上进行的,结果实际上略大于1/10;如果我们没有四舍五入,这个商会略小于1/10。但无论如何都不是1/10!

因此,计算机从未“看到”1/10:它看到的是上面给出的精确分数,这是使用“IEEE-754”中的双精度浮点数的最佳近似值:

>>>. 1 * 2 ** 56
7205759403792794.0

如果我们将这个分数乘以10**30,我们可以观察到这些值​​它的30位小数具有很强的权重。

>>> 7205759403792794 * 10 ** 30 // 2 ** 56
100000000000000005551115123125L

这意味着存储在计算机中的精确值近似等于十进制值0.100000000000000005551115123125。在Python 2.7和Python 3.1之前的版本中,Python舍入这些值​​到17位有效小数,显示“0.10000000000000001”。在当前版本的Python中,显示的值是分数尽可能短的值,当转换回二进制时,给出的表示形式完全相同,只需显示“0.1”。

它被打破的方式与你在小学学习并每天使用的十进制(以10为基础)表示法完全相同,只是以2为基础。

要理解,请考虑将1/3表示为十进制值。这是不可能做到的!世界将在你写完小数点后的3之前结束,所以我们写了一些地方,认为它足够准确。

以同样的方式,1/10(十进制0.1)不能以2为基数(二进制)精确地表示为“十进制”值;小数点后的重复模式将永远持续下去。该值不精确,因此无法使用常规浮点方法对其进行精确计算。与基数10一样,还有其他值也显示了这个问题。

其实很简单。当你有一个基数为10的系统(像我们的系统)时,它只能表示使用基数素因子的分数。10的主要因子是2和5。因此,1/2、1/4、1/5、1/8和1/10都可以清晰地表达,因为分母都使用10的素因子。相比之下,1/3、1/6和1/7都是重复小数,因为它们的分母使用3或7的素因子。在二进制(或基数2)中,唯一的素因子是2。所以你只能清楚地表达分数,它只包含2作为素因子。在二进制中,1/2、1/4、1/8都可以清晰地表示为小数。而1/5或1/10将是重复小数。因此,0.1和0.2(1/10和1/5)虽然在以10为基数的系统中是干净的小数,但在计算机运行的以2为基数的体系中是重复的小数。当你对这些重复的小数进行数学运算时,当你将计算机的以2(二进制)为基数的数字转换为更易于人类阅读的以10为基础的数字时,你最终会留下剩余部分。

从…起https://0.30000000000000004.com/

从Python 3.5开始,您可以使用math.isclose()函数来测试近似相等性:

>>> import math
>>> math.isclose(0.1 + 0.2, 0.3)
True
>>> 0.1 + 0.2 == 0.3
False

浮点舍入错误。由于缺少5的素因子,0.1在基-2中不能像在基-10中那样精确地表示。正如1/3以十进制表示需要无限位数,但以3为基数表示为“0.1”,0.1以2为基数表示,而以10为基数不表示。计算机没有无限的内存。