剑指Offer_#16_数值的整数次方

剑指offer

Contents

题目
思路分析
边界条件
方法1：循环求幂
方法2：快速幂
解答
复杂度分析
解答2
复杂度分析
总结

题目

实现函数double Power(double base, int exponent)，求base的exponent次方。不得使用库函数，同时不需要考虑大数问题。

示例 1:
输入: 2.00000, 10
输出: 1024.00000

示例 2:
输入: 2.10000, 3
输出: 9.26100

示例 3:
输入: 2.00000, -2
输出: 0.25000
解释: 2-2 = 1/22 = 1/4 = 0.25

说明:
-100.0 < x < 100.0
n 是 32 位有符号整数，其数值范围是 [−2³¹, 2³¹ − 1] 。

思路分析

边界条件

首先需要注意几个边界条件：

指数是0，直接返回1
指数是负数，转换为底数的倒数求正数次幂
底数是0，直接返回0
底数是0 且指数是负数，报错，或者返回一个确定值，比如0，不能计算0的倒数，会导致异常。

方法1：循环求幂

这一题的简单思路是，循环exponent轮，每次向结果累乘一个base,复杂度是O(n)。
根据评论区，这种方式会超时，所以直接不予考虑。

方法2：快速幂

快速幂算法来源于二分法。例如我们想要求解x¹⁶,可以先求解x⁸,然后计算x⁸ * x⁸即可。x⁸又可由x⁴求得...依次类推，是一个递归问题。
递归问题就是求解xⁿ,可以分解为递归子问题，需要根据奇偶分类讨论：

当n为偶数：
当n为奇数：

算法具体的过程可以参考如下图解
快速幂算法图解
在整个循环过程中，

幂次n每次降低1倍（也可以表示为右移一位），底数x每次平方。
结果值res初始值为1，每逢n为奇数，则将当前的x乘入res：
- xⁿ * res的值是一直不变的，但是其中的两个部分xⁿ和res都是一直在改变的，xⁿ从初始值变为1，res从1变为要求的xⁿ
- 当n变为0，循环结束。

一个不太好理解的地方：
看似在n为偶数的时候，res值没有进行变化，其实不然，n为偶数的时候，x值依然会平方，在下一次遇到n为奇数时，就会乘到res当中。
因为无论如何，总是会遇到n为奇数，也就是倒数第二轮循环时，n必然是1，即使之前一直没有遇到奇数，不断累乘得到的x会在最后一次乘入res当中。

解答

class Solution {
    public double myPow(double x, int n) {
        if(x == 0) return 0;
        if(n == 0) return 1;
        long b = n;//防止对n取负数的时候，超过int表示最大值
        double res = 1;
        if(b < 0){
            b = -b;
            x = 1 / x;
        }
        while(b != 0){
            if((b & 1) == 1) res = res * x;
            x *= x;
            b = b >> 1;//注意不能写成b >> 1,必须要有赋值符号；这里也可以写无符号右移>>>
        }
        return res;
    }
}

复杂度分析

时间复杂度：
空间复杂度：

解答2

尝试递归写法，大部分case都可以通过,但是对于输入为x=0.00001,n=2147483647时会出现执行时间超限。（2147483647是int类型最大值）

时间超限的写法

class Solution {
    public double myPow(double x, int n) {
        if(x == 0) return 0;
        if(n == 0) return 1;
        long b = n;//防止对n取负数的时候，超过int表示最大值
        double res = 1;
        if(b < 0){//处理指数为负数的情况，转化为指数为正的情况
            b = -b;
            x = 1 / x;
        }
        return myPowHelper(x,b);//在这里，输入的b必然是正数     
    }
    public double myPowHelper(double x, long b){
        if((b & 1) == 1) return myPowHelper(x,b >> 1)*myPowHelper(x,b >> 1)*x;    
        else return myPowHelper(x,b >> 1)*myPowHelper(x,b >> 1);
    }
}

正确写法

class Solution {
    public double myPow(double x, int n) {
        if(x == 0) return 0;//防止底数为0且指数为负的情况
        long b = n;//防止对n取负数的时候，超过int表示最大值
        if(b < 0){//处理指数为负数的情况，转化为指数为正的情况
            b = -b;
            x = 1 / x;
        }
        return myPowHelper(x,b);//在这里，输入的b必然是正数
    }
    public double myPowHelper(double x, long b){
        if(b == 0) return 1;
        if((b % 2) == 0){
            double sqaure_root = myPowHelper(x , b / 2);
            return sqaure_root * sqaure_root;
        }
        else{
            double sqaure_root = myPowHelper(x , b / 2);
            return sqaure_root * sqaure_root * x;
        }
    }
}

我在ide尝试运行两种代码，发现确实第二种是肉眼可见地比第一种快，但是不知道原因。

我研究了一下几个可能影响结果的因素

对于指数的下降，用右移符号>> vs 用除号/
无论改成除号还是右移符号，leetcode上提交的运行时间都是差不多的。所以其实用右移或者除号，代码效率差别不大。
递归出口条件，用b==0 vs 用b==1
我想了一下，都可以。
- b==0:b==0的时候，返回1，那么调用b==0子递归函数的父函数必定是b==1, 这个父函数的返回值一定是1*1*x
- b==1:b==1的时候，返回x,效果跟上边的差不多，只不过少调用一层子递归函数
递归函数返回之前是否使用中间变量（这里的square_root变量）
- 区别在于，如果不使用中间变量，直接返回myPowHelper(x,b >> 1)*myPowHelper(x,b >> 1)或者myPowHelper(x,b >> 1)*myPowHelper(x,b >> 1)*x,其实相当于进行了两次递归调用，而每次递归调用都又有31层，复杂度增加了不少。
- 使用了中间变量square_root存储平方根，那么递归调用过程只有一次，返回平方值的时候，是直接用计算好的结果进行相乘。

结论
在递归函数中，要避免重复调用递归函数进行计算，这是递归代码的优化思路，跟爬楼梯一题是类似的。

复杂度分析

递归写法和迭代写法的复杂度一样。
时间复杂度：
空间复杂度：

总结

这一题看似简单，如果不在leetcode上，直接让我写一个这样的函数，我肯定就用暴力循环写了，但是在leetcode中，暴力循环思路行不通。需要懂得快速幂算法。
学会快速幂算法的思想还不够，这一题的边界条件也需要一个不漏的考虑好：
- 输入指数为负的情况，底数为0的情况，底数为负且指数为0 的情况，指数为0的情况
- 衍生问题：输入的最小负数，转换为正数时会超出int表示范围，需要设置新的long类型变量来处理
上述一切问题都考虑好了，如果采取递归写法，还要避免出现重复调用递归函数的问题，否则会超出时间限制。

所以其实练习leetcode的最大作用也就是在于学习错综复杂的边界条件的处理，以及代码效率优化的方法。《剑指offer》书中也对此做了详细的阐述，在面试中，我们的代码需要做到既全面又高效，两个条件缺一，就不会令面试官满意。