PAT Basic 1049. 數列的片段和(20)(C語言實現)

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題目

給定一個正數數列,我們可以從中截取任意的連續的幾個數,稱為片段。例如,給定數列 { 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 },我們有 (0.1) (0.1,
0.2) (0.1, 0.2, 0.3) (0.1, 0.2, 0.3, 0.4) (0.2) (0.2, 0.3) (0.2, 0.3, 0.4)
(0.3) (0.3, 0.4) (0.4) 這 10 個片段。

給定正整數數列,求出全部片段包含的所有的數之和。如本例中 10 個片段總和是 0.1 + 0.3 + 0.6 + 1.0 + 0.2 + 0.5 + 0.9

  • 0.3 + 0.7 + 0.4 = 5.0。

輸入格式:

輸入第一行給出一個不超過 10^5 的正整數 N ,表示數列中數的個數,第二行給出 N 個不超過 1.0
的正數,是數列中的數,其間以空格分隔。

輸出格式:

在一行中輸出該序列所有片段包含的數之和,精確到小數點后 2 位。

輸入樣例:

4
0.1 0.2 0.3 0.4

輸出樣例:

5.00

思路

又是一道數學題。
解題的代碼很少,不過在下面的分析中還加入了浮點型數據精度的分析,雖然不是必要的。

  • 先計算出數列中每一個元素在所有片段和中被包含的次數:

    每一個包含a[i]的片段需要在a[i]左側(包含a[i])和a[i]右側(也包含a[i])各選取一個端點。我們使用0開始的計數。左側端點選取可能有i+1種,右側端點選取可能有N-i種。

    因此包含a[i]的片段和一共有(i+1)(N-i)種,做一個加權求和即可求出片段和:

    \sum_{i=0}^{N-1}(i+1)(N-i)a_i

  • 嚴謹起見的分析: 最大可能的片段和(我們要用的變量類型):

    令N=100000,任意i都有a[i]=1.0,此時的片段和為

    \sum_{i=1}^{N}i(N-i+1)=\frac{1}{6}N(N+1)(N+2)

    這個數約等于1.67e14,題目要求精度達到小數點后2位,即相當于相對誤差最多為6e-17。然后我們看一下不同浮點型(Wiki)的精度:

    • 單精度浮點的誤差:尾數部分有23位,精度為1.2e-7;
    • 雙精度浮點的誤差:尾數部分有52位,精度為2.2e-16;
    • 擴展精度的浮點型的誤差:尾數部分有63位,精度為1.1e-19;

    可以看出單精度浮點是絕對不能用的,雖然雙精度浮點的誤差略大于上面分析的結果,但是我覺得PAT不會(事實上也沒有)挖這個坑,所以用double類型的會過(我沒有試過float)。如果要寫更加嚴謹的代碼,應使用long double。

  • 還有一個問題,看了這篇博客才發現,同樣是數據范圍的問題。(i+1)(N-i)最大值約為N^2/4也就是2.5e9,32位有符號整型int的最大值是2^31-1,約為2e9,先乘這兩個整數可能會發生溢出。那篇博客說在求和時先算這兩個整數的乘積會有測試點過不去,就是測試點在測試N很大的情況。

代碼

最新代碼@github,歡迎交流

#include <stdio.h>

int main()
{
    int N;
    double ai, sum = 0;

    scanf("%d", &N);
    for(int i = 0; i < N; i++)
    {
        scanf("%lf", &ai);
        /* ai is put at the beginning to avoid overflow */
        sum += ai * (i + 1) * (N - i);
    }
    printf("%.2lf", sum);

    return 0;
}
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