一个有趣的算法问题:如何定义一个分数类

c/c++

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2019-3-29

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一个来自于C++程序设计的经典问题。如何定义一个分数类,实现分数的约分化简,分数之间的加法、减法、乘法、除法四则运算?

1.初见

刚看到这道题的时候,第一感觉是挺简单的啊,就是基本的面向对象,定义对应的加减乘除类就可以了啊,然而到了实现的时候才发现许多问题是说起来容易做起来难,在实现的过程中,发现了许多的注意点,以及算法。

最终得出结论:这个问题着实是考察程序员基本功的一道好题

2.整体思路

分数类设计的总体思路如下:

  1. 首先是分数的表示,这就需要利用两个变量保存分数的分子和分母;

  2. 其次是约分和通分,由于分数四则运算中需要借助约分和通分来实现,因此必须先考虑实现这两个算法。

  3. 加法和乘法的实现。利用约分和通分就可以轻松实现。

  4. 减法和除法的实现。是加法和乘法的逆运算。和直接转化为加法和乘法。

3.注意事项

  1. 负数问题。这个问题十分重要,在我们的算法中,都规定分母为正数,如果出现了分母为负数的情况,就分子分母同时乘以-1,把负数运算放在分子上。

  2. 函数的副作用(side effect)。尽量不要在方法中改变原来分数的值,否则会产生副作用,导致后面的运算出错,在代码中会说明。

  3. 静态方法和动态方法。和上一点是一样的问题,要确定方式是属于具体的对象,还是属于一个类。

  4. 除法运算中,除数不能等于0

4.代码实现

4.1 属性和构造方法

构造方法中有三个细节:一是使用了参数默认值,默认不写参数时,让分子分母都等于1;二是在构造方法中进行了分母合法性的验证,分母等于0时直接返回错误信息;三是对负值进行了处理,使分数的分母永远为正数,方便后续运算。

/**
* 分数运算类
*/
class Fraction 
{
    //定义分子和分母
    public $fenzi;
    public $fenmu;
    
    //构造函数
    function __construct($fenzi = 1,$fenmu = 1)
    {
        if ($fenmu == 0) {
            return "分母不能为0";
        }
        if ($fenmu < 0) {
            $fenmu = -$fenmu;
            $fenzi = -$fenzi;
        }
        $this->fenzi = $fenzi;
        $this->fenmu = $fenmu;
    }
}

4.2 最大公约数和最小公倍数

为了后续的约分和通分,必须先求出最大公约数和最小公倍数。求最大公约数采用辗转相除法,而最小公倍数由以下公式可求:

最小公倍数 = (数A * 数B)/ 最大公约数

//求最大公约数用于约分
private static function _getmax($a, $b)
{
    if($a < 0) $a = -$a;
    if($b < 0) $b = -$b;
    $tmp = $a % $b;
    while($tmp != 0) {
        $a = $b;
        $b = $tmp;
        $tmp = $a % $b;
    }
    return $b;
}

//求最小公倍数用于通分
private static function _getmin($a, $b)
{
    if($a < 0) $a = -$a;
    if($b < 0) $b = -$b;   
    $max = self::_getmax($a,$b);
    $min = intval(($a * $b) / $max);
    return $min;
}

/**
 * 约分运算,基本算法为分子分母同时除以最大公约数;
 * @return void 将对象的分子分母约分为最简形式    
 */
public function reduction()
{
    $max = $this->_getmax($this->fenzi,$this->fenmu);
    $this->fenzi = intval($this->fenzi / $max);
    $this->fenmu = intval($this->fenmu / $max);
}

这两个方法全部都定义为静态私有方法,只在类内调用且不需实例化。求最大公约数和最小公倍数的算法其实还有很多种,@烬酱采用了另外一种方法,C++代码如下:

/**
 * 求最大公约数并进行约分
 * @return void
 */
int reduction()
{
    int i,comdiv,small,max;

    if(above<below)
    {
        small=above;
        max=below;
    }
    else
    {
        small=below;
        max=above;
    }

    for(i=small;i>1;i--)
    {
        if(small%i==0 &max%i==0 )
            break;
    }

    comdiv=i; //最大公约数
    if(i!=0)
    {
        above/=i;
        below/=i;
    }
    return 0;
}

这种方法的本质就穷尽法,核心思想在于for循环当中。同样的,也可用此法求最小公倍数。

4.3 分数加减

分数加法的算法如下:

/**
 * 加法运算,写成静态方法,需要传递两个分数对象实例。加法的基本步骤为:
 * 1. 求两个分母的最小公倍数;
 * 2. 利用最小公倍数进行通分,此时分母就是最小公倍数,第一个分数的分子等于原来的分子*(最小公倍数/原来的分母),第二个分数的分子同理;
 * 3. 分母不变,分子相加;
 * 4. 对结果进行约分;
 * 
 * @param  fraction $fra1 分数相加的加数1
 * @param  fraction $fra2 分数相加的加数2  
 * @return fraction  $fra 分数相加的计算结果
 */
public static function add($fra1, $fra2)
{
    $fra = new Fraction();
    $min = self::_getmin($fra1->fenmu,$fra2->fenmu);
    $fenzi_left = $fra1->fenzi * ($min / $fra1->fenmu);
    $fenzi_right = $fra2->fenzi * ($min / $fra2->fenmu);

    $fra->fenmu = $min;
    $fra->fenzi = $fenzi_left + $fenzi_right;
    $fra->reduction();
    return $fra;
}

/**
 * 减法运算,加法的逆运算,只需要将参数$fra2的分子取反,将减法运算化为加法运算
 * 
 * @param  fraction $fra1 分数相减的被减数
 * @param  fraction $fra2 分数相减的减数
 * @return fraction $fra 分数相减的计算结果
 */
public static function minus($fra1, $fra2)
{
    $fra_t = new Fraction(-$fra2->fenzi,$fra2->fenmu);
    return self::add($fra1,$fra_t);
}

在上述算法中,定义了两个静态方法,每个方法需要传入两个分数对象,之后就可以按上面的算法步骤进行加法和减法运算了。其中减法运算只需要转换为加法即可。需要注意的是,在减法运算中,存在两种可能的写法:

【写法1】

$fra2->fenzi = -$fra2->fenzi;

【写法2】

$fra_t = new Fraction(-$fra2->fenzi,$fra2->fenmu);

其中,第一种写法直接改变了减数分子的值,这里对减法本身的结果不会造成影响,表面上看是成立的,但其实这种写法产生了副作用,在计算乘法时,fra2就已经不是最初的分数值了,因此我们需要new一个新的对象,如写法2所示,这样就不会产生副作用改变分数2的值。

4.4 分数乘除

分数乘数就比较简单了,如下所示:

/**
 * 乘法运算,分子相乘,分母相乘之后再约分
 * 
 * @param  fraction $fra1 分数相乘的乘数1
 * @param  fraction $fra2 分数相乘的乘数2
 * @return fraction $fra 分数相乘的计算结果
 */
public static function multiply($fra1,$fra2)
{
    $fra = new Fraction();

    $fenzi = $fra1->fenzi * $fra2->fenzi;
    $fenmu = $fra1->fenmu * $fra2->fenmu;

    $fra->fenzi = $fenzi;
    $fra->fenmu = $fenmu;
    $fra->reduction();
    return $fra;
}

/**
 * 除法运算,乘法运算的逆运算,只需要将参数$fra2的分子分母调换,将除法运算化为乘法运算
 * 
 * @param  fraction $fra1 分数相除的被除数
 * @param  fraction $fra2 分数相除的除数
 * @return fraction       分数相除的计算结果
 */
public static function divide($fra1,$fra2)
{
    $fra_t = new Fraction($fra2->fenmu,$fra2->fenzi);
    $fra = self::multiply($fra1,$fra_t);
    return $fra;
}

4.5 分数的表示

最后,我们需要写一个方法,把分数以a/b的形式打印出来。

public function display()
{
    printf("%d/%d\n",$this->fenzi,$this->fenmu);
}

这样我们的分数类的定义完了。

5. 结果展示

下面展示运行结果,先写一个调用:

$fra1 = new Fraction(3,4);
$fra1->display();

$fra2 = new Fraction(12,20);
$fra2->reduction();
$fra2->display();

$fra3 = Fraction::add($fra1,$fra2);
$fra3->display();

$fra4 = Fraction::minus($fra1,$fra2);
$fra4->display();

$fra5 = Fraction::multiply($fra1,$fra2);
$fra5->display();

$fra6 = Fraction::divide($fra1,$fra2);
$fra6->display();

如上,fra1期望直接打印出3/4, fra2对12/20先约分再输出,期望是3/5,fra3是计算fra1和fra2的加法,fra4为减法,fra5为乘法,fra6为除法。结果如下所示: