LeetCode No.69 (牛顿迭代法)

x的平方根

实现 int sqrt(int x) 函数。

计算并返回 x 的平方根,其中 x 是非负整数。

由于返回类型是整数,结果只保留整数的部分,小数部分将被舍去。

示例 1:

输入: 4
输出: 2

示例 2:

输入: 8
输出: 2
说明: 8 的平方根是 2.82842...,
由于返回类型是整数,小数部分将被舍去。

题目分析

  1. 首先直接计算平方根不太现实,所以这是一个在有序的1~x中查找出平方根的问题。
  2. 查找有序整数中的特定值,正常思路即二分查找,实现也简单。
  3. 递归缩小求解:
    \sqrt{x}=2*\sqrt{\frac{x}{4}}
    因此可以递归找到易解的小x,然后再回溯整合到原x。

注意为什么选择2作为系数进行递归呢?
——x缩小和放大2的倍数,可以通过位操作实现,效率极高。

递归式为:mySqrt(x)=mySqrt(x>>2)<<1

  1. 针对这个计算平方根的特定问题,有 牛顿迭代法

牛顿法(英语:Newton's method)又称为牛顿-拉弗森方法(英语:Newton-Raphson method),它是一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法。方法使用函数f(x) 的泰勒级数的前面几项来寻找方程的根。

x_{k+1}=\frac{1}{2}[x_k+\frac{x}{x_k}]
根据精度要求,x_kx_{k+1}收敛后差距小于1即可返回结果。

迭代求解示意

迭代示意图,图源 (https://leetcode-cn.com/problems/sqrtx/solution/niu-dun-die-dai-fa-by-loafer/)

如上图所示,想求\sqrt{a},图示a=2
先随便取xi=4,然后找到过(xi,yi)的切线,且f(x)=x^2-a的导数是2x
即切线方程f(x)-(x_i^2-a)=2x_i(x-xi)
显而易见这个切线与x轴的交点得x_{i+1}=\frac {2x_i^2-(x_i^2-a)}{2x_i}= \frac{1}{2} (x_i+\frac{a}{x_i})
即得x_{i+1}x_{i}更接近解\sqrt{a}

牛顿迭代题解代码

class Solution 
{
public:
    int mySqrt(int x) 
    {
        //牛顿迭代
        if(x<=1)
            return x;
        //注意long类型
        long last=x/2;
        long cur =(last+x/last)/2;
        while(abs(last-cur)>=1)
        {   
            last=cur;
            cur=(cur +x/ cur) / 2.0 ;
            if(cur<=x/cur)
                return cur;
        }

        return cur;
    }
    
};
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