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C++实现有理数运算

2023-07-05 06:19:14 深夜i 30 0

C++ 有理数运算分数类

有理数是指能够表示为两个整数的比率，并且分母不为零的数。在数学中，有理数是非常重要的，因为它们可以用来描述分数、比率等。在编程中，实现对有理数的运算也是非常有用的。

C++作为一种面向对象编程语言，提供了一些基本的数据类型，如整数、浮点数、字符等。但是它并没有提供有理数类型，因此需要利用C++中的类来模拟有理数类型。实现有理数类型有多种方法，本文将演示一种基于类的实现方法。

定义一个Rational类以表示有理数类型。有理数类应该包含分子和分母属性，并提供有理数的加、减、乘、除等基本运算。下面是一个样例实现：

class Rational {
public:
  int numerator; // 分子
  int denominator; // 分母
  Rational()
    numerator = 0;
    denominator = 1;
   // 默认构造函数
  Rational(int num, int deno)
    numerator = num;
    denominator = deno;
   // 全参构造函数
  // 使用辗转相除法求最大公约数
  int gcd(int a, int b) {
    return b == 0 ? a : gcd(b, a % b);
  }
  // 化简有理数
  void simplify() {
    int factor = gcd(numerator, denominator);
    numerator /= factor;
    denominator /= factor;
  }
  // 重载运算符：加法
  Rational operator+(const Rational& r) {
    Rational result;
    result.numerator = numerator * r.denominator + r.numerator * denominator;
    result.denominator = denominator * r.denominator;
    result.simplify();
    return result;
  }
  // 重载运算符：减法
  Rational operator-(const Rational& r) {
    Rational result;
    result.numerator = numerator * r.denominator - r.numerator * denominator;
    result.denominator = denominator * r.denominator;
    result.simplify();
    return result;
  }
  // 重载运算符：乘法
  Rational operator*(const Rational& r) {
    Rational result;
    result.numerator = numerator * r.numerator;
    result.denominator = denominator * r.denominator;
    result.simplify();
    return result;
  }
  // 重载运算符：除法
  Rational operator/(const Rational& r) {
    Rational result;
    result.numerator = numerator * r.denominator;
    result.denominator = denominator * r.numerator;
    result.simplify();
    return result;
  }
};

在上面的实现中，我们定义了一个Rational类，它包含了分子和分母两个属性。我们还实现了默认构造函数和全参构造函数。

在有理数类中，使用辗转相除法求最大公约数来化简有理数。如果不化简有理数，计算结果是可能不正确的。例如，$2/4$ 和 $1/2$ 表示相同的分数。在这种情况下，我们需要将两个数都化简为 $1/2$ 才能正确地比较它们。

有理数类还重载了加、减、乘、除等基本运算符。当我们对两个有理数进行加减乘除运算时，返回一个新的有理数对象，它的分子和分母都已经进行了相应的运算。

最后需要注意的一点是，由于C++没有提供有理数类型，因此需要自己实现对有理数的输入和输出。我们可以定义一个友元函数在Console上输入输出，例如：

ostream& operator<<(ostream& os, const Rational& r)
  os << r.numerator << "/" << r.denominator;
  return os;
istream& operator>>(istream& is, Rational& r) {
  is >> r.numerator >> r.denominator;
  r.simplify();
  return is;
}

在实际使用中，我们可以通过调用这些重载运算符来实现对有理数的运算。例如，下面的代码对两个有理数进行加法运算：

Rational a(1, 2);
Rational b(3, 4);
Rational c = a + b;
cout << c << endl;

以上代码将输出 $5/4$。

总之，C++提供了多种方式来实现对有理数的运算，但是基于类的实现方法是最常用的一种方式。通过定义一个有理数类，我们可以方便地进行加、减、乘、除等基本运算。当然，为了方便使用，在实现时还需要友元函数来实现输入和输出。如此一来，就可以使用 C++ 对有理数进行简单的计算了。

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