取模运算(“Modulo Operation”)和取余运算(“Complementation ”)两个概念有重叠的部分但又不完全一致。主要的区别在于对负整数进行除法运算时操作不同。
取模主要是用于计算机术语中。取余则更多是数学概念。
讨论:
首先,看看自然数的取模运算(定义1):
如果 a 和 b 是两个自然数,b 非零,可以证明存在两个唯一的整数 c 和 r,满足 a = cb + r 且0 ≤ r < b。
其中,c 被称为商,r 被称为余数。
假如我们按照正数求余的规则求 (-7) mod 3 的结果,就可以表示 -7 为 (-3)* 3 +2。其中,2是余数,-3是商。
下面是几种软件中对此的理解。
语言 | 语句 | 输出 |
---|---|---|
C++(G++ 编译) | cout << (-7) % 3; | -1 |
Java(1.6) | System.out.println((-7) % 3); | -1 |
Python 2.6 | (-7) % 3 | 2 |
百度计算器 | (-7) mod 3 | 2 |
Google 计算器 | (-7) mod 3 | 2 |
可以看到,答案不是唯一。所以不能直接把正数的法则用在负数的取余上。
实际上,在整数范围内,自然数的求余法则并不被很多人所接受,大家大多认可的是下面的这个定义2。
如果a 与b 是整数,b 非零,那么余数 r 满足这样的关系:
a = cb + r , c 为整数,且0 ≤ |r| < |b|。
可以看到,这个定义导致了有负数的求余并不是我们想象的那么简单,比如,-1 和 2 都是 (-7) mod 3 正确的结果,因为这两个数都符合定义。这种情况下,对于取模运算,可能有两个数都可以符合要求。我们把 -1 和 2 分别叫做正余数和负余数。
通常,当除以d时,如果正余数为r1,负余数为r2,那么有:
r1 = r2 + d
对负数余数不明确的定义可能导致严重的计算问题,对于处理关键任务的系统,错误的选择会导致严重的后果。
看完了 (-7) mod 3,下面我们来看一看 7 mod (-3) 的情况(看清楚,上面的例子 7 带负号,现在是 3 带负号)。
根据定义2,7 = (-3) * (-2) + 1 或7 = (-3) * (-3) -2,所以余数为 1 或 -2。
语言 | 语句 | 输出 |
---|---|---|
C++(G++ 编译) | cout << 7 % (-3); | 1 |
Java(1.6) | System.out.println(7 % (-3)); | 1 |
Python 2.6 | 7 % (-3) | -2 |
百度计算器 | 7 mod (-3) | -2 |
Google 计算器 | 7 mod (-3) | -2 |
从中我们看到:
- Java 紧随 C++ 的步伐,而 Python、Google、百度步调一致。难道真是物以类聚?联想一下,Google 一直支持 Python,Python 也颇有 Web 特色的感觉,而且 Google Application Engine 也用的 Python,国内的搜索引擎也不约而同地按照 Google 的定义进行运算。
- 可以推断,C++ 和 Java 通常会尽量让商更大一些。比如在 (-7) mod 3中,他们以 -2 为商,余数为 -1。在 Python 和 Google 计算器中,尽量让商更小,所以以 -3 为商。在 7 mod (-3) 中效果相同:C++ 选择了 3 作为商,Python 选择了 2 作为商。但是在正整数运算中,所有语言和计算器都遵循了尽量让商小的原则,因此 7 mod 3 结果为 1 不存在争议,不会有人说它的余数是-2。
- 如果按照第二点的推断,我们测试一下 (-7) mod (-3),结果应该是前一组语言(C++,Java)返回 2,后一组返回 -1。(请注意这只是假设)
于是有了如下实际测试:
语言 | 语句 | 输出 |
---|---|---|
C++(G++ 编译) | cout << -7 % (-3); | -1 |
Java(1.6) | System.out.println(-7 % (-3)); | -1 |
Python 2.6 | -7 % (-3) | -1 |
百度计算器 | -7 mod (-3) | -1 |
Google 计算器 | -7 mod (-3) | -1 |
结果,所有语言和计算机返回结果完全一致。
小结:
我们由此可以总结出下面两个结论:
- 对于任何同号的两个整数,其取余结果没有争议,所有语言的运算原则都是使商尽可能小。
- 对于异号的两个整数,C++/Java语言的原则是使商尽可能大,很多新型语言和网页计算器的原则是使商尽可能小。
总结:
假设求余数(模)r,c是商:
求余方法a%b,求模方法a mod b,则余数r为:
计算模或者余数: r = a – c*b
那么,求模运算和求余运算在第一步不同: 取余运算在取c的值时,向 0 方向舍入(fix()函数);
而取模运算在计算c的值时,向负无穷方向舍入(floor()函数)。
例如:计算-7 Mod 4
那么:a = -7;b = 4;
第一步:求整数商c,如进行求模运算c = -2(向负无穷方向舍入),求余c = -1(向0方向舍入);
第二步:计算模和余数的公式相同,但因c的值不同,求模时r = 1,求余时r = -3。
归纳:
当a和b符号一致时,求模运算和求余运算所得的c的值一致,因此结果一致。
当符号不一致时,结果不一样。
求模运算结果的符号和b一致,求余运算结果的符号和a一致。
另外各个环境下%运算符的含义不同,比如c/c++,java 为取余,而python则为取模。
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