C++如何判断一个正整数是否为三角形数 (Triangular Number)

星杰酱_6208

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2026-06-19

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三角形数是能表示为k(k+1)/2的正整数,判断时应解k²+k−2n=0,验证判别式1+8n是否为完全平方数且根为正整数,避免浮点误差导致误判。

c++如何判断一个正整数是否为三角形数 (triangular number)

什么是三角形数,以及为什么不能用循环暴力判断

一个正整数 n 是三角形数,当且仅当存在某个正整数 k,使得 n = k*(k+1)/2。比如 1、3、6、10、15 都是——它们能排成等边三角形点阵。

暴力方法是让 k 从 1 开始递增,算 k*(k+1)/2 直到 ≥ n。但对大数(比如 1e12)会超时,而且没必要:这是个二次方程求解问题,可直接用数学判别法。

核心思路是把等式变形:k² + k − 2n = 0,解得 k = (−1 + √(1 + 8n)) / 2。只要这个 k 是正整数,n 就是三角形数。

用 sqrt 判断是否为完全平方数(关键一步)

C++ 的 std::sqrt 返回 double,浮点误差会让 sqrt(1 + 8n) 看似整数实则略小或略大,直接取整再平方验证极易出错。

正确做法是:先算 long long disc = 1 + 8LL * n(注意用 8LL 防溢出),再用 sqrt 得近似根,四舍五入取整为 root,最后严格检查 root * root == disc。

  • disc 必须是 long long,否则 n > 2.7e18 时 1 + 8*n 溢出 int 或 unsigned long
  • 不要用 (int)round(sqrt(disc)) —— double 对大于 2^53 的整数无法精确表示,round 失效
  • 推荐用 llround(sqrt(disc)) 或更稳妥的:先转 long long 再微调,比如 root = static_cast<long long>(std::sqrt(disc) + 0.5);</long>

完整判断函数及边界处理

以下是一个生产可用的 C++ 函数:

C++14
C++14

C++14 对 C++11 的修正与增强版本,适合旧系统维护和较老工具链兼容。

下载
bool isTriangular(long long n) {
    if (n (std::sqrt(static_cast<double>(disc)) + 0.5);
    if (root * root != disc) return false;
    return (root & 1) == 1; // root 必须是奇数,因为 k = (root - 1) / 2 要为整数
}</double>

注意最后一步:root 是 √(1 + 8n),而 k = (root − 1) / 2 必须是正整数,所以 root 必须是奇数且 ≥ 3。单独检查 (root & 1) == 1 比做除法更安全(避免除零或负数)。

常见误判点:

  • 输入 n = 0 或负数——按定义三角形数从 1 开始,必须排除
  • 用 int 存 disc——n = 1e9 时 disc ≈ 8e9,超出 int 上限(约 2.1e9)
  • 忽略 root 奇偶性——例如 n = 2 时 disc = 17,root = 4,4*4 ≠ 17,自然被拦住;但若浮点误差导致 root = 5 却没检查奇偶,就会错误放行

性能与替代方案:什么时候该用二分而不是开方

对单次查询,sqrt 方案是 O(1),比 O(log n) 的二分快;但若在嵌入式环境或没有 sqrt 硬件支持的平台(如某些 MCU),或者编译器对 double 支持弱,二分更可靠。

二分写法要点:

  • 下界 l = 1,上界 r = std::min(n, 2000000LL)(因为 k*(k+1)/2 ≥ n ⇒ k ≈ √(2n),所以 r 取 sqrt(2n)+10 更准,但直接设上限也行)
  • 每次算 mid * (mid + 1) / 2,注意 mid * (mid + 1) 可能溢出,应写成 mid / 2 * (mid + 1) 或用 __int128(GCC)
  • 标准库无现成函数,必须手写,不如开方简洁

实际项目中,只要 n 在 long long 范围内且不涉及极端嵌入式,优先用开方判别法——但务必处理好类型、溢出和奇偶校验。

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