小数到分数转换在Swift

Question

我正在制作一个计算器，希望它能自动将每个小数转换成小数。因此，如果用户计算一个表达式，答案是“0.333333......”，它会返回“1/3”。对于“0.25”，它会返回“1/4”。使用GCD，如这里所示（小数到小数的转换），我已经知道如何将任何有理的、终止的小数转换成小数，但这对任何重复的小数都不起作用（如.333333）。

用于堆栈溢出的所有其他函数都在Objective-C中。但我需要在我的swift应用程序中使用一个函数！这是一个翻译版本(https://stackoverflow.com/a/13430237/5700898)太好了！

Answer 1

正如马丁·R所说，拥有（99.99%）精确计算的唯一方法，就是从头到尾用有理数计算一切。

创建这个类的原因也是我需要非常精确的计算，而这在swift提供的类型中是不可能的。所以我创造了自己的类型。

代码在这里，下面我解释一下。

class Rational {

   var alpha = 0
   var beta = 0

   init(_ a: Int, _ b: Int) {
       if (a > 0 && b > 0) || (a < 0 && b < 0) {
           simplifier(a,b,"+")
       }
       else {
           simplifier(a,b,"-")
       }
   }

   init(_ double: Double, accuracy: Int = -1) {
       exponent(double, accuracy)
   }

   func exponent(_ double: Double, _ accuracy: Int) {
       //Converts a double to a rational number, in which the denominator is of power of 10.

       var exp = 1
       var double = double

       if accuracy != -1 {
           double = Double(NSString(format: "%.\(accuracy)f" as NSString, double) as String)!
       }

       while (double*Double(exp)).remainder(dividingBy: 1) != 0 {
           exp *= 10
       }

       if double > 0 {
           simplifier(Int(double*Double(exp)), exp, "+")
       }
       else {
           simplifier(Int(double*Double(exp)), exp, "-")
       }

   }

   func gcd(_ alpha: Int, _ beta: Int) -> Int {
       // Calculates 'Greatest Common Divisor'

       var inti: [Int] = []
       var multi = 1
       var a = Swift.min(alpha,beta)
       var b = Swift.max(alpha,beta)

           for idx in 2...a {
               if idx != 1 {
                   while (a%idx == 0 && b%idx == 0) {
                       a = a/idx
                       b = b/idx
                       inti.append(idx)
                   }
               }
           }
       inti.map{ multi *= $0 }
       return multi
   }


   func simplifier(_ alpha: Int, _ beta: Int, _ posOrNeg: String) {
       //Simplifies nominator and denominator (alpha and beta) so they are 'prime' to one another.

       let alpha = alpha > 0 ? alpha : -alpha
       let beta = beta > 0 ? beta : -beta

       let greatestCommonDivisor = gcd(alpha,beta)

       self.alpha = posOrNeg == "+" ? alpha/greatestCommonDivisor : -alpha/greatestCommonDivisor
       self.beta = beta/greatestCommonDivisor
   }

}

typealias Rnl = Rational

func *(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.alpha
   let bb = a.beta*b.beta

   return Rational(aa, bb)

}

func /(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.beta
   let bb = a.beta*b.alpha

   return Rational(aa, bb)

}

func +(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.beta + a.beta*b.alpha
   let bb = a.beta*b.beta

   return Rational(aa, bb)

}

func -(a: Rational, b: Rational) -> Rational {

   let aa = a.alpha*b.beta - a.beta*b.alpha
   let bb = a.beta*b.beta

   return Rational(aa, bb)

}

extension Rational {

   func value() -> Double {
       return Double(self.alpha) / Double(self.beta)
   }

}

extension Rational {

   func rnlValue() -> String {

       if self.beta == 1 {
           return "\(self.alpha)"
       }
       else if self.alpha == 0  {
           return "0"
       }
       else {
           return "\(self.alpha) / \(self.beta)"
       }
   }

}

// examples:

let first = Rnl(120,45)
let second = Rnl(36,88)
let third = Rnl(2.33435, accuracy: 2)
let forth = Rnl(2.33435)

print(first.alpha, first.beta, first.value(), first.rnlValue()) // prints  8   3   2.6666666666666665   8 / 3
print((first*second).rnlValue()) // prints  12 / 11
print((first+second).rnlValue()) // prints  203 / 66
print(third.value(), forth.value()) // prints  2.33   2.33435

首先，我们有类本身。类可以用两种方式初始化：

在Rational类中，alpha~=提名者

第一种方法是使用两个整数初始化类，第一个是命名符，第二个是分母。该类获取这两个整数，然后将它们减少到尽可能少的数字。e、 g将（10,5）减少到（2,1），或者作为另一个例子，将（144,60）减少到（12,5）。这样，总是存储最简单的数字。使用gcd（最大公约数）函数和simplifier函数可以实现这一点，这在代码中并不难理解。唯一的一点是，这个类面临一些负数的问题，所以它总是保存最终的有理数是负数还是正数，如果它是负数，它会使提名者为负数。

初始化类的第二种方法是使用一个double和一个名为“accurity”的可选参数。该类获取双精度，以及小数点后所需数字的精度，并将双精度转换为命名符/分母形式，其中分母的幂为10。e、 G2.334将为2334/1000或342.57将为34257/100。然后尝试使用#1方法解释的相同方法简化有理数。

在类定义之后，有类型别名“Rnl”，您显然可以根据自己的意愿更改它。

然后有4个函数，对于数学的4个主要动作: * / -, 我定义了，例如，你可以很容易地乘以两个Rational类型的数字。

之后，Rational类型有2个扩展，其中第一个（'value'）给出Rational数字的双倍值，第二个（'rnlValue'）以人类可读的字符串形式给出Rational数字："提名者/分母"

最后，你可以看到所有这些是如何工作的一些例子。

Answer 2

所以有点晚了，但我遇到了一个类似的问题，最终构建了Swift FractionFor事例。这很有效，因为你关心的大多数无理数都是庸俗或常见分数集的一部分，很容易验证正确的转换。其余的可能四舍五入，也可能不四舍五入，但你可以非常接近用户可能生成的任何合理分数。它被设计成数字形式的替代品。

Answer 3

如果要将计算结果显示为有理数，那么唯一100%正确的解决方案是在所有计算中使用有理算术，即所有中间值都存储为一对整数（分子、分母），以及所有加法、乘法、除法、，etc是使用有理数的规则来完成的。

一旦结果被分配给二进制浮点数，如Douple，信息就会丢失。例如，

let x : Double = 7/10

存储在x中的近似值为0.7，因为该数字不能精确表示为双精度。从…起

print(String(format:"%a", x)) // 0x1.6666666666666p-1

你可以看到，x持有这个值

0x16666666666666 * 2^(-53) = 6305039478318694 / 9007199254740992
                           ≈ 0.69999999999999995559107901499373838305

因此，x作为有理数的正确表示应该是6305394748318694/9007199254740992，但这当然不是你所期望的。你所期望的是7/10，但还有另一个问题：

let x : Double = 69999999999999996/100000000000000000

将完全相同的值赋给x，在双精度范围内，它与0.7无法区分。

那么，x应该显示为7/10还是69999999996/1000000000000000？

如上所述，使用有理算术将是完美的解决方案。如果这是不可行的，那么你可以将<代码>双转换回给定精度的有理数。（以下摘自Swift中双打的LCM算法。）

连续分数是一种有效的方法来创建分数h_n/k_n的（有限或无限）序列，这些分数是给定实数x的任意良好近似，这里是Swift中的一个可能实现：

typealias Rational = (num : Int, den : Int)

func rationalApproximationOf(x0 : Double, withPrecision eps : Double = 1.0E-6) -> Rational {
    var x = x0
    var a = floor(x)
    var (h1, k1, h, k) = (1, 0, Int(a), 1)

    while x - a > eps * Double(k) * Double(k) {
        x = 1.0/(x - a)
        a = floor(x)
        (h1, k1, h, k) = (h, k, h1 + Int(a) * h, k1 + Int(a) * k)
    }
    return (h, k)
}

例如：

rationalApproximationOf(0.333333) // (1, 3)
rationalApproximationOf(0.25)     // (1, 4)
rationalApproximationOf(0.1764705882) // (3, 17)

默认精度为1.0E-6，但您可以根据需要进行调整：

rationalApproximationOf(0.142857) // (1, 7)
rationalApproximationOf(0.142857, withPrecision: 1.0E-10) // (142857, 1000000)

rationalApproximationOf(M_PI) // (355, 113)
rationalApproximationOf(M_PI, withPrecision: 1.0E-7) // (103993, 33102)
rationalApproximationOf(M_PI, withPrecision: 1.0E-10) // (312689, 99532)

Swift 3版本：

typealias Rational = (num : Int, den : Int)

func rationalApproximation(of x0 : Double, withPrecision eps : Double = 1.0E-6) -> Rational {
    var x = x0
    var a = x.rounded(.down)
    var (h1, k1, h, k) = (1, 0, Int(a), 1)

    while x - a > eps * Double(k) * Double(k) {
        x = 1.0/(x - a)
        a = x.rounded(.down)
        (h1, k1, h, k) = (h, k, h1 + Int(a) * h, k1 + Int(a) * k)
    }
    return (h, k)
}

例如：

rationalApproximation(of: 0.333333) // (1, 3)
rationalApproximation(of: 0.142857, withPrecision: 1.0E-10) // (142857, 1000000)

或者——正如@brandonscript所建议的那样——使用struct Rational和初始值设定项：

struct Rational {
    let numerator : Int
    let denominator: Int

    init(numerator: Int, denominator: Int) {
        self.numerator = numerator
        self.denominator = denominator
    }

    init(approximating x0: Double, withPrecision eps: Double = 1.0E-6) {
        var x = x0
        var a = x.rounded(.down)
        var (h1, k1, h, k) = (1, 0, Int(a), 1)

        while x - a > eps * Double(k) * Double(k) {
            x = 1.0/(x - a)
            a = x.rounded(.down)
            (h1, k1, h, k) = (h, k, h1 + Int(a) * h, k1 + Int(a) * k)
        }
        self.init(numerator: h, denominator: k)
    }
}

示例用法：

print(Rational(approximating: 0.333333))
// Rational(numerator: 1, denominator: 3)

print(Rational(approximating: .pi, withPrecision: 1.0E-7))
// Rational(numerator: 103993, denominator: 33102)