算法导论 2.1-4

时间:2023-02-22 23:35:43

题目

有两个各存放在数组A和B中的n位二进制整数,考虑他们的相加问题。(翻译的够烂)两个整数的和存放在有n+1个元素的数组C中,请给出这个问题的形式化描述,并给出伪代码。

分析

考虑两个1位二进制数a和b,假设它们的和c是个2位二进制数,c[1]=a 算法导论 2.1-4b,c[2]=(a+b)/2=(a+b)>>1。
在考虑两个2位二进制数 算法导论 2.1-4算法导论 2.1-4,它们的和是个3位二进制数 算法导论 2.1-4
当第一位相加时,先计算进位位c2=(a1+b1)>>1,再计算低位c1=a1 算法导论 2.1-4b1;
当第二位相加时,先计算进位位c3=(a2+b2+c2)>>1,再计算低位c2=a2 算法导论 2.1-4b2 算法导论 2.1-4c2
以此方法,若c1初始化为0,则各位计算的 算法导论 2.1-4=(an+bn+cn)>>1,cn=an 算法导论 2.1-4bn 算法导论 2.1-4cn

形式化描述

循环不变式:在循环的每次迭代开始前,c[1...i]保存着a[1...i-1]和b[1...i-1]相加的和。
证明:
初始化:在循环的第一次迭代开始前,此时i=1,c[i]=0。人为给两个规定——1.a[1...0]和b[1...0]不包含任何元素;2.0位二进制数相加得0。在这两个约束下显然c[1]保存着a[1...0]和b[1...0]相加的和。不变式成立。
保持:若循环的某次迭代开始前不变式成立,假设此时i=k,根据不变式,c[1...k]保存着a[1..k-1和]b[1..k-1]相加的和;此次迭代执行,执行的结果就是c[1...k+1]保存着a[1..k]和b[1..k]相加的和;下一次迭代开始前,此时i=k+1,由上次迭代的执行结果知c[1...k+1]保存着a[1..k]和b[1..k]相加的和,即c[1...i]保存着a[1..i-1]和b[1..i-1]相加的和。不变式成立。
终止:循环的迭代终止时,i=n+1,将循环不变式中的i替换为n+1,即c[1...n+1]保存着a[1..n]和b[1..n]相加的和。而a[1..n]和b[1..n]就是完整的两个二进制数,所以不变式成立。

伪代码

ADD-BIN(c, a, b, n)
1 c[1]=0
2     for i <- 1 to n
3         do c[i+1] = (a[i]+b[i]+c[i])>>1
4               c[i] = a[i] 算法导论 2.1-4b[i] 算法导论 2.1-4c[i]

代码

def addbin_none(c,a,b,n):
    c[0] = 0
    for i in range(0,n):
        c[i+1]=(a[i]+b[i]+c[i])/2
        c[i]=a[i]^b[i]^c[i]