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

通过判断1+8n是否为完全平方数确定n是否为三角形数,解出k=(√(1+8n)-1)/2,k为整数则n是三角形数。需用longlong防溢出,并验证平方根平方等于判别式以消除浮点误差。

如何高效判断一个正整数是不是三角形数?直接写个循环从1开始逐个试当然可以,但遇到十的十二次方这种量级,运算时间就让人头疼了。其实这是一个标准的二次方程求解问题,完全可以用数学判别法一步到位。

三角形数的定义很简单:能写成 k(k+1)/2 形式的正整数,其中 k 也是正整数。比如 1、3、6、10、15 都是——它们恰好能排成等边三角形点阵。关键是把等式变形为 k² + k − 2n = 0,解出 k = (−1 + √(1 + 8n)) / 2。只要这个 k 是正整数,n 就是三角形数。

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。

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 > 2.7e181 + 8*n 溢出 intunsigned 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(std::sqrt(disc) + 0.5);

完整判断函数及边界处理

以下是一个生产可用的 C++ 函数:

bool isTriangular(long long n) {
    if (n <= 0) return false;
    long long disc = 1 + 8LL * n;
    long long root = static_cast(std::sqrt(static_cast(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
}

注意最后一步:root√(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
  • intdisc——n = 1e9disc ≈ 8e9,超出 int 上限(约 2.1e9)
  • 忽略 root 奇偶性——例如 n = 2disc = 17root = 44*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 rsqrt(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 nlong 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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