前言
开根号相信大家都不陌生,这是一种数学运算,也称为开方运算,运算符号是根号 √ ̄。那么在 Java 中如何实现开方运算呢?
一、了解根号运算
根号运算是一种数学运算,也称为开方运算。它的运算符号是 √ ̄,被称为根号符号,要将被开发的数包围。若 aⁿ=b,那么 a 是 b 开 n 次方的 n 次方根或 a 是 b 的 1/n 次方。
开 n 次方的 n 写在符号√ ̄的左边,n=2(平方根)时 n 可以忽略不写 x \sqrt{x} x ,但若是立方根(三次方根) x 3 \sqrt[3]{x} 3x 、四次方根 x 4 \sqrt[4]{x} 4x 等,是必须书写。
我们比较常见的也就是求一个数的平方根了,对于一个非负实数 x,它的平方根 y 是一个非负实数,使得 y 的平方等于 x,即 y²=x。例如, 4 \sqrt{4} 4 =2,因为2²=4。 9 \sqrt{9} 9 =3,因为3²=9。
需要注意的是,在实数范围内,负数没有实数平方根,因此,不能对负数进行开方运算,除非使用复数。
在计算中,可以利用计算器或数表等工具进行简便的根号运算,也可以通过手工计算,使用牛顿迭代法等算法进行近似计算。
二、Java开根号
1.Math.sqrt()开平方根
Java 中可以使用 Math 类的 sqrt 方法来实现平方根号运算。该方法的作用是返回一个数的平方根。
Math 类在 java.lang 包下,也是一个最终类,JDK1.0 就存在了。Math 类包含执行基本数值运算的方法,例如初等指数函数、对数函数、平方根函数和三角函数等。
public final class Math {}
Math 类中有 sqrt 方法,求平方根。以下是sqrt方法源码:
/**
* Returns the correctly rounded positive square root of a
* {@code double} value.
* Special cases:
* <ul><li>If the argument is NaN or less than zero, then the result
* is NaN.
* <li>If the argument is positive infinity, then the result is positive
* infinity.
* <li>If the argument is positive zero or negative zero, then the
* result is the same as the argument.</ul>
* Otherwise, the result is the {@code double} value closest to
* the true mathematical square root of the argument value.
*
* @param a a value.
* @return the positive square root of {@code a}.
* If the argument is NaN or less than zero, the result is NaN.
*/
public static double sqrt(double a) {
return StrictMath.sqrt(a); // default impl. delegates to StrictMath
// Note that hardware sqrt instructions
// frequently can be directly used by JITs
// and should be much faster than doing
// Math.sqrt in software.
}
我们可以看到该方法是静态方法,也就是可以通过 Math.sqrt() 直接调用。需要传入双精度 double 类型数值,返回的也是 double 类型数值。方法体很简单直接调用 StrictMath.sqrt(a); 它这里解释说默认的 impl,委托给 StrictMath。
例如,要计算9的平方根,可以使用以下代码:
double result = Math.sqrt(9);
System.out.println(result); // 输出结果为3.0
需要注意的是,sqrt 方法返回的是一个 double 类型的数值,如果需要精确计算,应该使用 BigDecimal 类进行计算。
我们在深究一下:
在 Java 中,根号运算被委托给了 Java 虚拟机中的 Math 库进行计算。Math 库中的 sqrt 方法采用了一些数学算法来求解开方运算,具体实现方式取决于底层的操作系统和硬件平台。
通常情况下,Java 虚拟机会使用硬件指令来进行数学计算,这样可以大大提高计算速度。对于无法使用硬件指令的情况,Java 虚拟机会使用软件实现的算法来进行计算。
无论使用哪种实现方式,Math 库的 sqrt 方法都会返回一个 double 类型的结果,表示被开方数的平方根。我们可以直接使用该结果进行后续的操作,例如计算平方根的倒数、平方等等。需要注意的是,sqrt 方法返回的结果并不是精确的,而是一个近似值,具体精度取决于底层实现的算法和硬件平台。如果需要进行高精度的计算,可以使用 BigDecimal 类来替代 Math 库中的方法。
2.Math.pow()开根号
在 Java 中,可以使用 Math 库的 pow 方法来进行求平方根的运算,但不是最有效的方法,因为 Math.pow() 通常使用指数函数来计算, 指数函数在近似计算时可能会导致精度误差。
如果要计算一个数的平方根,在 Java 中使用 Math.sqrt() 是更好的选择。sqrt 方法是专门用来计算平方根的方法,它能保证对于任何非负数,都可以在不损失精度的情况下获得正确的平方根。
若要使用 Math.pow() 来求一个数x的平方根,可以使用以下代码:
Math.pow(x, 0.5)
这里,使用了 Math.pow(x, 0.5) 代表 x 的1/2次幂,即其平方根。但是由于Math.pow() 是用指数函数来计算的,可能会导致精度误差,因此不建议用这种方式来计算平方根。
3.牛顿迭代法来近似求解平方根
可以自己使用 Java 编写一个求平方根的方法。例如,可以使用牛顿迭代法来近似求解平方根。以下是网上一个简单的示例代码:简单测试没问题。
public static double mySqrt(double x) {
if (x < 0) {
throw new IllegalArgumentException("不能计算负数的平方根");
}
double guess = x / 2.0; // 初始值为x的一半
double tol = 1e-15; // 精度
int maxIter = 50; // 最大迭代次数
for (int i = 0; i < maxIter; i++) { // 进行迭代
double fx = guess * guess - x; // f(x)的函数值
double fpx = 2.0 * guess; // f'(x)的函数值(导数)
double diff = fx / fpx; // 迭代量
guess = guess - diff; // 更新猜测值
if (Math.abs(diff) < tol) { // 只要迭代量小于某个阈值就停止迭代
break;
}
}
return guess;
}
在该代码中,mySqrt 方法使用牛顿迭代法进行近似求解平方根。它接收一个 double 类型的参数 x,表示要计算平方根的数值。如果 x 是负数,则抛出 IllegalArgumentException 异常。接着,程序使用 x/2.0 作为初始猜测值,设置一些精度和迭代次数的参数,并进行迭代计算。每次迭代时,程序都会计算当前猜测值的平方,计算出 f(x) 和 f’(x),然后更新猜测值。只要迭代量小于设定的精度,就停止迭代,并返回最终的猜测值作为平方根的近似值。
总结
本文主要讲解了 Java 中如何求一个数的平方根,先对根号运算进行了介绍,然后介绍了三种开根号方法,大家肯定要使用 Math.sqrt() 进行开平方根,第二、三种不建议使用。