К старту курса по Fullstack-разработке на Python делимся решениями классической проблемы неточности чисел с плавающей точкой. В материале вы найдёте примеры работы с функциями и классами, предназначенными специально для решения проблем чисел с плавающей точкой.

Числа с плавающей точкой — быстрый и эффективный способ хранения чисел и работы с ними. Но он связан с рядом трудностей для начинающих и опытных программистов! Вот классический пример:

>>> 0.1 + 0.2 == 0.3
False

Впервые увидев такое, можно растеряться. Такое поведение корректно! Поговорим о том, почему ошибки при операциях над числами с плавающей точкой так распространены, почему они возникают и как с ними справиться в Python.

Компьютер обманывает вас

Вы видели, что 0.1 + 0.2 не равно 0.3, но безумие на этом не заканчивается. Вот ещё пара примеров, сбивающих с толку:

>>> 0.2 + 0.2 + 0.2 == 0.6
False

>>> 1.3 + 2.0 == 3.3
False

>>> 1.2 + 2.4 + 3.6 == 7.2
False

Проблема касается и сравнения:

>>> 0.1 + 0.2 <= 0.3
False

>>> 10.4 + 20.8 > 31.2
True

>>> 0.8 - 0.1 > 0.7
True

Что происходит? Когда вы вводите в интерпретатор Python число 0.1, оно сохраняется в памяти как число с плавающей точкой и происходит преобразование. 0.1 — это десятичное число с основанием 10, но числа с плавающей точкой хранятся в двоичной записи. То есть основание 0.1 преобразуется из 10 в 2.

Получающееся двоичное число может недостаточно  точно представлять исходное число с основанием 10. 0.1 — один из примеров. Двоичным представлением будет 0.0(0011). То есть 0.1 — это бесконечно повторяющееся десятичное число, записанное с основанием 2. То же происходит, когда в виде десятичного числа с основанием 10 записывается дробь ⅓. Получается бесконечно повторяющееся десятичное число 0.3(3).

Память компьютера конечна, поэтому бесконечно повторяющееся представление двоичной дроби 0.1 округляется до конечной дроби. Её значение зависит от архитектуры компьютера (32- или 64-разрядная).

Увидеть значение с плавающей точкой, которое сохраняется для 0.1, можно с помощью метода .as_integer_ratio(). Представление с плавающей точкой состоит из числителя и знаменателя:

>>> numerator, denominator = (0.1).as_integer_ratio()
>>> f"0.1 ≈ {numerator} / {denominator}"
'0.1 ≈ 3602879701896397 / 36028797018963968'

Чтобы отобразить дробь с точностью до 55 знаков после запятой, используем format():

>>> format(numerator / denominator, ".55f")
'0.1000000000000000055511151231257827021181583404541015625'

Так 0.1 округляется до числа чуть больше, чем его истинное значение.

Узнайте больше о числовых методах, подобных .as_integer_ratio(), в моей статье 3 Things You Might Not Know About Numbers in Python («3 факта о числах в Python, которые вы могли не знать»).

Эта ошибка представления чисел с плавающей точкой встречается куда чаще, чем может показаться.

Ошибка представления числа очень типична

Существуют три причины, почему число округляется при его представлении в виде числа с плавающей точкой:

1. В числе больше значащих разрядов, чем позволяет плавающая точка.

2. Это иррациональное число.

3. Число рациональное, но без конечного двоичного представления. 

64-разрядные числа с плавающей точкой имеют 16 или 17 значащих разрядов. Любое число, у которого значащих разрядов больше, округляется. Иррациональные числа, такие как π и e, нельзя представить конечной дробью с целочисленным основанием. И, опять же, иррациональные числа в любом случае округляются при сохранении в виде чисел с плавающей точкой.

В этих двух ситуациях создаётся бесконечный набор чисел, которые нельзя точно представить в виде числа с плавающей точкой. Но вы вряд ли столкнётесь с этими проблемами, не будучи химиком, имеющим дело с крошечными числами, или физиком — с астрономически большими числами.

А как на счёт бесконечных рациональных чисел, например 0.1 с основанием 2? Именно здесь вам встретится большинство связанных с плавающей точкой трудностей и благодаря математике — позволяющей определять, конечная дробь или нет, — вы будете сталкиваться с ошибками представления чаще, чем думаете.

С основанием 10 дробь можно представить как конечную, если её знаменатель — произведение степеней простых множителей 10. Два простых множителя 10 — это 2 и 5, поэтому дроби ½, ¼, ⅕, ⅛ и ⅒ — конечные, а ⅓, ⅐ и ⅑ — нет. У основания 2 только один простой множитель — 2.

Конечные дроби здесь только те, знаменатель которых равен степени числа 2. В результате дроби ⅓, ⅕, ⅙, ⅐, ⅑ и ⅒ — бесконечные, когда представлены в двоичной записи.

Теперь наш первый пример должен стать понятнее. 0.1, 0.2 и 0.3 при преобразовании в числа с плавающей точкой округляются:

>>> # -----------vvvv  Display with 17 significant digits
>>> format(0.1, ".17g")
'0.10000000000000001'

>>> format(0.2, ".17g")
'0.20000000000000001'

>>> format(0.3, ".17g")
'0.29999999999999999'

При сложении 0.1 и 0.2 получается число чуть больше 0.3:

>>> 0.1 + 0.2
0.30000000000000004

А поскольку 0.1 + 0.2 чуть больше, чем 0.3, и 0.3 представлено числом, которое чуть меньше 0.3, выражение 0.1 + 0.2 == 0.3 оказывается False.

Об ошибке представления чисел с плавающей точкой должен знать каждый программист на любом языке — и уметь с ней справляться. Она характерна не только для Python. Результат вывода 0.1 + 0.2 на разных языках можно увидеть на сайте с подходящим названием 0.30000000000000004.com.

Как сравнивать числа с плавающей точкой в Python

Как же справляться с ошибками представления чисел с плавающей точкой при сравнении таких чисел в Python? Хитрость заключается в том, чтобы избегать проверки на равенство. Вместо ==, >= или <= всегда используйте с числами с плавающей точкой функцию math.isclose():

>>> import math
>>> math.isclose(0.1 + 0.2, 0.3)
True

В math.isclose() проверяется, достаточно ли близок первый аргумент ко второму. То есть проверяется расстояние между двумя аргументами. Оно равно абсолютной величине разницы обоих значений:

>>> a = 0.1 + 0.2
>>> b = 0.3
>>> abs(a - b)
5.551115123125783e-17

Если abs(a - b) меньше некоего процента от большего значения a или b, то a считается достаточно близким к b, чтобы считаться «равным» b. Этот процент называется относительной погрешностью и указывается именованным аргументом rel_tol функции math.isclose(), который по умолчанию равен 1e-9.

То есть если abs(a - b) меньше 0.00000001 * max(abs(a), abs(b)), то a и b считаются «близкими» друг к другу. Это гарантирует, что a и b будут приблизительно с девятью знаками после запятой.

Если нужно, можно изменить относительную погрешность:

>>> math.isclose(0.1 + 0.2, 0.3, rel_tol=1e-20)
False

Конечно, относительная погрешность зависит от ограничений задачи, но для большинства повседневных приложений стандартной относительной погрешности должно быть достаточно. Проблема возникает, если a или b равно нулю, а rel_tol меньше единицы. Тогда, как бы ни было близко ненулевое значение к нулю, относительной погрешностью гарантируется, что проверка на близость будет неудачной. В качестве запасного варианта здесь применяется абсолютная погрешность:

>>> # Relative check fails!
>>> # ---------------vvvv  Relative tolerance
>>> # ----------------------vvvvv  max(0, 1e-10)
>>> abs(0 - 1e-10) < 1e-9 * 1e-10
False

>>> # Absolute check works!
>>> # ---------------vvvv  Absolute tolerance
>>> abs(0 - 1e-10) < 1e-9
True

В math.isclose() эта проверка выполняется автоматически. Абсолютная погрешность определяется с помощью именованного аргумента abs_tol. Но abs_tol по умолчанию равен 0.0, поэтому придётся задать его вручную, если нужно проверить близость значения к нулю.

В итоге в функции math.isclose() возвращается результат следующего сравнения — с относительными и абсолютными проверками в одном выражении:

abs(a - b) <= max(rel_tol * max(abs(a), abs(b)), abs_tol)

math.isclose() появилась в PEP 485 и доступна с Python 3.5.

Когда стоит использовать math.isclose()?

В целом math.isclose() следует применять, сравнивая значения с плавающей точкой. Заменим == на math.isclose():

>>> # Don't do this:
>>> 0.1 + 0.2 == 0.3
False

>>> # Do this instead:
>>> math.isclose(0.1 + 0.2, 0.3)
True

Со сравнениями >= и <= нужно быть осторожным. Обработаем равенство отдельно, используя math.isclose(), а затем проверим строгое сравнение:

>>> a, b, c = 0.1, 0.2, 0.3

>>> # Don't do this:
>>> a + b <= c
False

>>> # Do this instead:
>>> math.isclose(a + b, c) or (a + b < c)
True

Есть альтернативы math.isclose(). Если вы работаете с NumPy, можете использовать numpy.allclose() и numpy.isclose():

>>> import numpy as np

>>> # Use numpy.allclose() to check if two arrays are equal
>>> # to each other within a tolerance.
>>> np.allclose([1e10, 1e-7], [1.00001e10, 1e-8])
False

>>> np.allclose([1e10, 1e-8], [1.00001e10, 1e-9])
True

>>> # Use numpy.isclose() to check if the elements of two arrays
>>> # are equal to each other within a tolerance
>>> np.isclose([1e10, 1e-7], [1.00001e10, 1e-8])
array([ True, False])

>>> np.isclose([1e10, 1e-8], [1.00001e10, 1e-9])
array([ True, True])

Имейте в виду: стандартные относительные и абсолютные погрешности — не то же самое, что math.isclose(). Стандартная относительная погрешность для numpy.allclose() и numpy.isclose() равна 1e-05, а стандартная абсолютная погрешность — 1e-08.

math.isclose() особенно удобна для модульных тестов, хотя и здесь имеются альтернативы. Во встроенном модуле unittest в Python есть метод unittest.TestCase.assertAlmostEqual().

Но в нём применяется только проверка абсолютной разницы. А это ещё и утверждение, то есть при сбоях возникает ошибка AssertionError, из-за которой оно непригодно для сравнений в бизнес-логике.

Отличная альтернатива math.isclose() для модульного тестирования — это функция pytest.approx() из pytest pytest. Как и в math.isclose(), здесь принимаются два аргумента и возвращается, равны они или нет в пределах некой погрешности:

>>> import pytest
>>> 0.1 + 0.2 == pytest.approx(0.3)
True

Как и в math.isclose(), в pytest.approx() для задания относительной и абсолютной погрешностей есть именованные аргументы rel_tol и abs_tol. Но стандартные значения различаются. У rel_tol оно 1e-6, а у abs_tol — 1e-12.

Если первые переданные в pytest.approx() два аргумента подобны массиву (то есть это итерируемый объект Python, такой же, как список или кортеж или даже массив NumPy), тогда в pytest.approx() поведение подобно numpy.allclose() и возвращается то, равны эти два массива или нет в пределах погрешностей:

>>> import numpy as np                                                          
>>> np.array([0.1, 0.2]) + np.array([0.2, 0.4]) == pytest.approx(np.array([0.3, 0.6])) 
True

Для pytest.approx() сгодятся даже значения словаря:

>>> {'a': 0.1 + 0.2, 'b': 0.2 + 0.4} == pytest.approx({'a': 0.3, 'b': 0.6})
True

Числа с плавающей точкой отлично подходят для работы с числами, когда абсолютная точность не требуется. Они быстры и эффективны с точки зрения потребления памяти. Но, если точность нужна, стоит рассмотреть ряд альтернатив числам с плавающей точкой.

Точные альтернативы числам с плавающей точкой

В Python есть два встроенных числовых типа, которые обеспечивают полную точность в ситуациях, когда числа с плавающей точкой не подходят: Decimal и Fraction.

Тип Decimal

В типе Decimal могут храниться десятичные значения именно с той точностью, какая нужна. По умолчанию в нём сохраняются 28 значащих цифр (это число можно изменить согласно конкретной решаемой задаче):

>>> # Import the Decimal type from the decimal module
>>> from decimal import Decimal

>>> # Values are represented exactly so no rounding error occurs
>>> Decimal("0.1") + Decimal("0.2") == Decimal("0.3")
True

>>> # By default 28 significant figures are preserved
>>> Decimal(1) / Decimal(7)
Decimal('0.1428571428571428571428571429')

>>> # You can change the significant figures if needed
>>> from decimal import getcontext
>>> getcontext().prec = 6  # Use 6 significant figures
>>> Decimal(1) / Decimal(7)
Decimal('0.142857')

Больше узнать о типе Decimal можно в документации Python.

Тип Fraction

Альтернатива числам с плавающей точкой — тип Fraction. В нём могут точно сохраняться рациональные числа. При этом устраняются проблемы с ошибками представления, возникающие в числах с плавающей точкой:

>>> # import the Fraction type from the fractions module
>>> from fractions import Fraction

>>> # Instantiate a Fraction with a numerator and denominator
>>> Fraction(1, 10)
Fraction(1, 10)

>>> # Values are represented exactly so no rounding error occurs
>>> Fraction(1, 10) + Fraction(2, 10) == Fraction(3, 10)
True

У типов Fraction и Decimal много преимуществ по сравнению со стандартными значениями с плавающей точкой. Но есть и недостатки: меньшая скорость и повышенное потребление памяти.

Если абсолютная точность не нужна, лучше оставаться с числами с плавающей точкой. А вот в случае с финансовыми и критически важными приложениями эти недостатки типов Fraction и Decimal могут оказаться приемлемыми.

Заключение

Значения с плавающей точкой — это и благо, и проклятие одновременно. Они обеспечивают быстрые арифметические операции и эффективное потребление памяти за счёт неточного представления. Из этой статьи вы узнали:

• Почему числа с плавающей точкой неточны.

• Почему ошибка представления с плавающей точкой типична.

• Как корректно сравнивать значения с плавающей точкой.

• Как точно представлять числа, используя типы Fraction и Decimal. 

Узнайте о числах в Python ещё больше. Например, знаете ли вы, что int — не единственный целочисленный тип в Python? Узнайте, какой есть ещё, а также о других малоизвестных фактах о числах в моей статье.

А мы поможем вам прокачать скиллы или с самого начала освоить профессию, востребованную в любое время:

• Профессия Fullstack-разработчик на Python

• Профессия Data Analyst

Выбрать другую востребованную профессию.