3
double x=1; 
while( x+1>x ) 
x++;

1 ответ 1

10

Если тип double — это число с плавающей точкой формата IEEE 754 binary64 (в большинстве случаев так и есть), то возможны по крайней мере три следующих ответа.

  1. 2^53 == 9007199254740992.0

При достижении значения 2^53 цикл остановится, т.к. в числах с плавающей точкой 2^53 + 1 == 2^53.

Все целые числа из отрезка [-2^53, 2^53] типом double представимы точно. Следующее вещественное число после 2^53 представимое типом double — это 2^53 + 2. Их битовые паттерны (различие всего лишь в самом младшем бите мантиссы):

2^53     == 0 | 10000110100 | 0000000000000000000000000000000000000000000000000000
2^53 + 2 == 0 | 10000110100 | 0000000000000000000000000000000000000000000000000001

Точный вещественный результат 2^53 + 1 будет округлён до одного из двух чисел с плавающей точкой, между которыми он находится.

По умолчанию, используется режим округления «до ближайшего». Если точный результат находится точно посередине между двух чисел с плавающей точкой, то будет выбрано то, младший бит мантиссы которого равен нулю. В данном случае 2^53 + 1 округляется до 2^53.

Пример:

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    cout << std::fixed;
    
    double x = 9007199254740992.0 - 4.0; 
    while( x+1 > x ) {
        cout << "x:    " << x << endl;
        x++;
    }
    cout << "last: " << x << endl;
    
    double t1 = 9007199254740992.0;
    double t2 = t1 + 1.0;
    cout << "t1:   " << t1 << endl;
    cout << "t2:   " << t2 << endl;
}

Вывод:

x:    9007199254740988.000000
x:    9007199254740989.000000
x:    9007199254740990.000000
x:    9007199254740991.000000
last: 9007199254740992.000000
t1:   9007199254740992.000000
t2:   9007199254740992.000000

  1. +inf

Среди возможных режимов округления точного результата до числа с плавающей точкой, определяемых стандартом IEEE 754, есть режим округления «в сторону положительной бесконечности».

При данном режиме округления условие x+1 > x будет выполняться, пока переменная x не равна NaN или ±inf

Данный режим можно включить, используя функцию std::fesetround().

Пример:

#include <iostream>
#include <limits>
#include <cfenv>
#include <cmath>
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    cout << std::scientific;
    cout.precision(std::numeric_limits<double>::max_digits10);
    
    std::fesetround(FE_UPWARD);
    
    double x = std::numeric_limits<double>::infinity();
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        x = std::nextafter(x, 0.0);
    while( x+1 > x ) {
        cout << "x:    " << x << endl;
        x++;
    }
    cout << "last: " << x << endl;
    
    double t1 = std::numeric_limits<double>::max();
    double t2 = t1 + 1.0;
    cout << "t1:   " << t1 << endl;
    cout << "t2:   " << t2 << endl;
}

Вывод (g++ с использованием опции -frounding-math. Без данной опции компилятор предполагает, что всегда используется режим округления по умолчанию.):

x:    1.79769313486231511e+308
x:    1.79769313486231531e+308
x:    1.79769313486231551e+308
x:    1.79769313486231571e+308
last: inf
t1:   1.79769313486231571e+308
t2:   inf
  1. Бесконечный цикл

Стандарт языка допускает, что результат выражения в числах с плавающей точкой может иметь большую точностью (precision) и диапазон (range), чем того требует результирующий тип. expr.pre/6:

The values of the floating-point operands and the results of floating-point expressions may be represented in greater precision and range than that required by the type; the types are not changed thereby.47

  1. The cast and assignment operators must still perform their specific conversions as described in [expr.type.conv], [expr.cast], [expr.static.cast] and [expr.ass].

Например, в следующем коде

double x = ...;
bool   b = x + 1 > x;

результат выражения x + 1 имеет тип double, но точность и диапазон у результирующего значения могут быть больше, чем у типа double.

Иными словами, вполне возможно, что точный вещественный результат выражения x + 1 будет округлён не до типа double, а до некоторого более ёмкого, чем double типа.

На практике такое возможно, если вычисления производятся в модуле операций с плавающей точкой (floating point unit (FPU)), производящем вычисления в 80-битных числах с плавающей точкой.

Пример:

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    cout << std::fixed;
    
    int counter = 0;
    volatile double tmp = 9007199254740992.0 - 4.0;
    double x = tmp;
    while( x+1 > x ) {
        cout << "x:    " << x << endl;
        x++;
        counter++;
        if (counter > 8) {
            cout << "counter break!" << endl;
            break;
        }
    }
    cout << "last: " << x << endl;
}

Вывод (g++ с использованием опции -mfpmath=387 для того, чтобы вычисления производились в FPU):

x:    9007199254740988.000000
x:    9007199254740989.000000
x:    9007199254740990.000000
x:    9007199254740991.000000
x:    9007199254740992.000000
x:    9007199254740992.000000
x:    9007199254740992.000000
x:    9007199254740992.000000
x:    9007199254740992.000000
counter break!
last: 9007199254740992.000000

Начиная со значения 2^53 == 9007199254740992.0, инкремент переменной x на единицу не изменяет её значения, но при этом условие цикла x+1 > x оценивается с расширенной точностью 80-битного FPU. Т.е. точный вещественный результат 2^53 + 1 не округляется до 2^53 при оценке условия цикла, следовательно выражение x+1 > x оказывается истинным. Это бесконечный цикл!

3
  • а можете с таким помочь вопросом double x=1.0; do { x/=2.0; } while( 1.0+x>1.0 ); }
    – With Orxan
    7 апр 2021 в 20:41
  • такой цикл когда остановится
    – With Orxan
    7 апр 2021 в 20:42
  • 3
    Наглядная демонстрация сложности вычислительной математики (+)
    – avp
    7 апр 2021 в 20:48

Ваш ответ

Нажимая на кнопку «Отправить ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями использования и подтверждаете, что прочитали и поняли наши политику конфиденциальности и нормы поведения.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.