我正在尝试在闪亮的新Python 3.8上运行一些测试,并注意到math.hypot
的问题。从文档中:
对于一个二维点
(x, y)
,这相当于计算 使用勾股定理的直角三角形的斜边,sqrt(x*x + y*y)
.
但是,这些在 3.8 中并不等效:
>>> from math import hypot, sqrt
>>> x, y = 95, 168
>>> sqrt(x*x + y*y), hypot(x, y), sqrt(x*x + y*y) == hypot(x, y)
(193.0, 193.00000000000003, False)
>>> sqrt(x*x + y*y).is_integer(), hypot(x, y).is_integer()
(True, False)
在3.7中,两种方式产生完全相同的结果("193.0"
,它被认为是一个整数(。
函数hypot
提供了数学表达式 √(x 2 + y2( 的另一个近似值,就像浮点表达式sqrt(x*x + y*y)
是同一数学表达式的近似值一样。
建议使用函数hypot
,因为它解决了浮点计算sqrt(x*x + y*y)
中存在非常明显的缺陷,这些缺陷具有非常大或非常小的值。例如,如果x
仅比最大有限浮点值的平方根大一点,则sqrt(x*x + y*y)
总是产生+inf
,因为x*x
产生+inf
。
比较:
>>> x, y = 95E200, 168E200
>>> sqrt(x*x + y*y), hypot(x, y)
(inf, 1.93e+202)
>>> z, t = 95E-200, 168E-200
>>> sqrt(z*z + t*t), hypot(z, t)
(0.0, 1.93e-198)
对于这两对(分别是非常大和非常小(的输入,hypot
做得很好,而sqrt(x*x + y*y)
是灾难性的错误。
当朴素版本sqrt(x*x + y*y)
运行良好时(当x
和y
的值既不是很大也不是很小时(,它可能比函数hypot
更不准确,具体取决于x
和y
的值。可以预期它们都会产生与数学结果相差几个ULP的结果。但由于它们是通过不同方法获得的不同近似值,因此它们可能会有所不同(在最坏的情况下是"几个ULP"的两倍(。
hypot(x, y)
的一个典型实现是首先交换x
并在必要时y
,以便x
具有最大的量级,然后计算x * sqrt(1 + (y/x)*(y/x))
。这解决了x*x
溢出的问题。作为副作用,这意味着即使没有溢出,结果也与sqrt(x*x + y*y)
略有不同。
请注意,当您将sqrt(x*x + y*y)
应用于小整数时,更精确是正常的(就像您在测试中所做的那样(:当x
和y
是小整数时,x*x
和y*y
及其总和可以精确地计算为浮点值。如果此总和是整数的平方,则浮点函数sqrt
只能计算此整数。简而言之,在这种情况下,计算尽管是浮点数,但从头到尾都是精确的。相比之下,上面典型的hypot
实现从计算x/y
开始(在您的测试中,95.0/168.0
(,并且此结果通常不能完全表示为浮点值。第一步已经产生了近似值,这种近似值可能会导致最终结果错误(就像在您的测试中一样(!
hypot
没有标准的算法:它只期望计算数学表达式√(x 2 + y2(的良好近似值,同时避免溢出和下溢问题。本文展示了不同的实现,并指出我提到的流行实现牺牲了准确性以避免溢出和下溢(但本文还为hypot
提供了一个浮点实现,即使在sqrt(x*x + y*y)
工作的地方也比sqrt(x*x + y*y)
更准确(。