• Правильное округление десятичных чисел в двоичном коде

      Одна из серьезных проблем работы с десятичными числами, представленными в двоичном коде, является проблема округления двоичного числа до значения представимого десятичного числа, ближайшего к правильно округленному десятичному числу. Ниже мы обсуждаем эту проблему и даем простой алгоритм правильного округления. Работа алгоритма проиллюстрирована тестовой программой на C++.
      Читать дальше →
    • Смешанный десятично-двоичный формат vs IEEE754

        В предыдущем топике был рассмотрен новый формат представления десятичных чисел с плавающей точкой, который мы назвали смешанным десятично-двоичным форматом (СДДФ).

        Данный формат позволяет производить арифметические вычисления на компьютере без использования BCD с такой же точностью, как если бы вычисления велись вручную.
        Напомним, что смешанным десятично — двоичным форматом (СДДФ) называется формат представления десятичных чисел с плавающей точкой двоичным кодом, в котором целочисленная мантисса является двоичным эквивалентом своего десятичного значения, а экспонента является двоичным эквивалентом степени числа 10. Вещественное число в СДДФ представляется в виде

        $F=SM_{2}10^{e}$


        где $M_{2}$ и e — целые двоичные числа. Под двоичным эквивалентом десятичного числа подразумевается двоичный код этого десятичного числа в выбранном формате. Под десятичным эквивалентом двоичного числа подразумевается десятичный код этого двоичного числа.
        Читать дальше →
      • Двоичные вычисления для десятичной арифметики

          Продолжая исследовать проблему точности десятичных вычислений средствами двоичной арифметики, начатую в предыдущих постах [1,2,3,4], мне удалось разработать алгоритмы вычисления вещественных чисел, представленных в формате десятичных чисел с плавающей точкой, которые дают такой же точный результат, как если бы вычисления велись вручную.
          Читать дальше →
        • Снова о числах с плавающей точкой

            Несмотря на то, что вопросам точности компьютерных вычислений посвящено очень много публикаций, некоторые из них, на наш взгляд, всё же остаются не до конца четко раскрытыми. А именно:

            1. Какое количество верных цифр n гарантированно имеет десятичное число, представленное двоичным m разрядным кодом в формате числа с плавающей точкой.
            2. Как влияет нормализация чисел с плавающей точкой на точность представления числа при его преобразовании из одной системы счисления в другую и при арифметических действиях, выполняемых на компьютере.
            3. Как влияет округление числа, представленного в двоичном виде на его десятичный эквивалент.
            4. Как положение виртуальной точки в машинном слове влияет на значение числа, представленного в экспоненциальной форме.

            Ниже мы попытаемся ответить на эти вопросы.
            Читать дальше →
          • Рекуррентные формулы для расчета ошибок итерационного суммирования двоичных чисел ограниченной длины

              В настоящей статье мы продолжим рассмотрение проблемы компьютерных вычислений десятичных чисел с помощью двоичной арифметики, которая была затронута в предыдущем топике [1]. В статье речь пойдет об ошибках, которые в литературе принято называть ошибками округления. И, в частности, ошибок, которые порождаются в результате итерационного суммирования большого числа одинаковых десятичных чисел, представленных в двоичном виде ограниченным разрядным пространством. В результате исследований были получены простые рекуррентные соотношения, позволяющие точно определить ошибку компьютерных итерационных вычислений частичных сумм любого количества одинаковых слагаемых, на любом шаге итерации.
              Читать дальше →
            • Фатальные ошибки двоичной арифметики при работе с числами с плавающей точкой

                Среди всего разнообразия форматов представления действительных чисел в компьютерной технике особое место отведено формату чисел с плавающей точкой (ЧПТ), который запротоколирован в стандарте IEEE754. Главные достоинства чисел с плавающей точкой, как известно, заключаются в том, что они позволяют производить вычисления в большом диапазоне значений и при этом вычисления организуются инструментарием двоичной арифметики, легко реализуемой на вычислительном устройстве. Однако последнее обстоятельство таит в себе подводные камни, которые являются причиной того, что расчеты, сделанные с использованием этого формата, могут приводить к совершенно непредвиденным результатам.

                Ниже мы приводим примеры арифметических операций над некоторыми числами с плавающей точкой, которые приводят к неверным результатам. Эти результаты не зависят от платформы, на которой реализованы вычисления.

                В настоящей статье мы не приводим теоретических выкладок, которые объясняют причину появления этих ошибок. Это тема следующего топика. Здесь мы только постараемся привлечь внимание специалистов к проблеме катастрофической неточности вычислений, возникающей при проведении арифметических операций над десятичными числами при использовании двоичной арифметики. Рассматриваемые здесь примеры неумолимо наталкивают на мысль о целесообразности использования формата с плавающей точкой в том виде, как его трактует стандарт IEEE754.

                Отметим, что причина ошибочных вычислений с ЧПТ, главным образом, обусловлена ни ошибками округления, устранению которых в стандарте уделяется большое внимание, а самой природой конвертации десятичных и двоичных чисел.
                Читать дальше →
              • Альтернатива стандарту IEEE754

                  В результате размышлений над особенностями стандарта IEEE754, я пришел к выводу, что многие положения, на которых основывается данный стандарт, зиждутся на ошибочном методологическом подходе. А именно, авторы стандарта за основу рассуждений взяли заданный формат машинного слова. Затем, исходя из заданного формата, были сформулированы требования к множеству чисел, которые могут быть представимы в этом формате. Было высказано ряд бездоказательных суждений. Например, о предпочтении использования в компьютерной арифметике дробной мантиссы. Или об обязательной потере точности, при представлении чисел в ненормализованном виде, а также недопустимости неоднозначного представления действительных чисел в экспоненциальном виде.

                  Отсюда родились требования к обязательной нормализации чисел после каждого арифметического действия, и как следствие, большие проблемы с представлением чисел, лежащих вблизи нуля, а также невозможность получения нуля в явном виде. Это все приводит к неоправданным затратам вычислительных ресурсов на нормализацию и борьбу с ее последствиями.

                  Предлагаемая здесь работа является логическим продолжением предыдущих двух моих топиков на Хабре. В своих рассуждениях я оттолкнулся от естественного представления чисел и ограничений, которые накладываются на числа, вследствие конечности носителя, на который они записываются. Такой подход позволил получить ряд очень важных выводов. Основной из них заключается в том, что процесс нормализации не является обязательным на всех этапах проведения арифметических операций. Более того, именно обязательная нормализация привела к необходимости введения специального класса денормализованных чисел, что существенно увеличило программно-аппаратные затраты.

                  Предложенный подход позволил прийти к выводу, что, добавлением всего одного разряда в машинном слове, можно в раз расширить диапазон представимых чисел в формате с плавающей точкой, где К — количество разрядов машинной мантиссы.

                  В статье вы найдете целый ряд нетривиальных выводов, которые позволяют по-новому взглянуть на представление чисел с плавающей запятой в машинном коде.
                  Читать дальше →
                • Нужна ли нормализация в числах с плавающей точкой?

                    В прошлом топике (1 ) мы говорили о числах с плавающей точкой/запятой, нормализованных в соответствии со стандартом IEEE754. Там же были рассмотрены денормализованные числа, искусственное введение которых в стандарте привело к чудовищным программно-аппаратным затратам, тормозящим процессы компьютерной обработки чисел в десятки и сотни раз. Но, так уж ли нужна эта самая нормализация и тем более оправдано ли введение экзотического класса денормализованных чисел в компьютерную арифметику? Попробуем разобраться с этим вопросом.
                    Читать дальше →
                  • Взгляд со стороны: Стандарт IEEE754

                    Вопросам представления действительных чисел в формате с плавающей точкой/запятой, который закреплен в стандарте IEEE754, посвящено немало работ. В том числе и на Хабрахабре. Не являясь программистом, автор попытался разобраться с этим зверем с точки зрения простой школьной математики. Отталкиваясь не от утвержденных в стандарте форматов, а от естественных представлений о числах. Возможно, что такой взгляд со стороны будет интересен и профессионалам-программистам. Особенно это касается вопросов, связанных с денормализованными числами.
                    Читать дальше →