PAT Basic 1049. 数列的片段和(20)(C语言实现)

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题目

给定一个正数数列,我们可以从中截取任意的连续的几个数,称为片段。例如,给定数列 { 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 },我们有 (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) 这 10 个片段。

给定正整数数列,求出全部片段包含的所有的数之和。如本例中 10 个片段总和是 0.1 + 0.3 + 0.6 + 1.0 + 0.2 + 0.5 + 0.9

  • 0.3 + 0.7 + 0.4 = 5.0。

输入格式:

输入第一行给出一个不超过 10^5 的正整数 N ,表示数列中数的个数,第二行给出 N 个不超过 1.0
的正数,是数列中的数,其间以空格分隔。

输出格式:

在一行中输出该序列所有片段包含的数之和,精确到小数点后 2 位。

输入样例:

4
0.1 0.2 0.3 0.4

输出样例:

5.00

思路

又是一道数学题。
解题的代码很少,不过在下面的分析中还加入了浮点型数据精度的分析,虽然不是必要的。

  • 先计算出数列中每一个元素在所有片段和中被包含的次数:

    每一个包含a[i]的片段需要在a[i]左侧(包含a[i])和a[i]右侧(也包含a[i])各选取一个端点。我们使用0开始的计数。左侧端点选取可能有i+1种,右侧端点选取可能有N-i种。

    因此包含a[i]的片段和一共有(i+1)(N-i)种,做一个加权求和即可求出片段和:

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

  • 严谨起见的分析: 最大可能的片段和(我们要用的变量类型):

    令N=100000,任意i都有a[i]=1.0,此时的片段和为

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

    这个数约等于1.67e14,题目要求精度达到小数点后2位,即相当于相对误差最多为6e-17。然后我们看一下不同浮点型(Wiki)的精度:

    • 单精度浮点的误差:尾数部分有23位,精度为1.2e-7;
    • 双精度浮点的误差:尾数部分有52位,精度为2.2e-16;
    • 扩展精度的浮点型的误差:尾数部分有63位,精度为1.1e-19;

    可以看出单精度浮点是绝对不能用的,虽然双精度浮点的误差略大于上面分析的结果,但是我觉得PAT不会(事实上也没有)挖这个坑,所以用double类型的会过(我没有试过float)。如果要写更加严谨的代码,应使用long double

  • 还有一个问题,看了这篇博客才发现,同样是数据范围的问题。(i+1)(N-i)最大值约为N^2/4也就是2.5e9,32位有符号整型int的最大值是2^31-1,约为2e9,先乘这两个整数可能会发生溢出。那篇博客说在求和时先算这两个整数的乘积会有测试点过不去,就是测试点在测试N很大的情况。

代码

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#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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