Rust高性能数值计算库fastnum的使用,fastnum提供快速数学运算和数值处理功能

Rust高性能数值计算库fastnum的使用

已提供的示例代码

use fastnum::*;

fn main() {
    const ZERO: UD256 = udec256!(0);
    const ONE: UD256 = udec256!(1.0);

    let a = udec256!(12345);
    let b = udec256!(67.89);
    
    // 加法
    let sum = a + b;
    println!("Sum: {}", sum);
    
    // 减法
    let diff = a - b;
    println!("Difference: {}", diff);
    
    // 乘法
    let product = a * b;
    println!("Product: {}", product);
    
    // 除法
    let quotient = a / b;
    println!("Quotient: {}", quotient);
    
    // 平方根
    let sqrt = a.sqrt();
    println!("Square root: {}", sqrt);
}

完整示例代码

use fastnum::*;

fn main() {
    // 定义常量
    const PI: D128 = dec128!(3.14159265358979323846264338327950288);
    const E: D128 = dec128!(2.71828182845904523536028747135266249);
    
    // 创建变量
    let radius = dec128!(5.0);
    let height = dec128!(10.0);
    
    // 计算圆柱体体积: V = πr²h
    let volume = PI * radius.pow(2) * height;
    println!("圆柱体体积: {}", volume);
    
    // 计算复利
    let principal = dec128!(1000.0);
    let rate = dec128!(0.05);  // 5%利率
    let years = dec128!(10.0);
    let compound_interest = principal * (D128::one() + rate).pow(years) - principal;
    println!("10年后的复利: {}", compound_interest);
    
    // 三角函数示例
    let angle = dec128!(45.0);
    let radians = angle.to_radians();
    println!("sin(45°) = {}", radians.sin());
    println!("cos(45°) = {}", radians.cos());
    println!("tan(45°) = {}", radians.tan());
    
    // 对数计算
    println!("ln(E) = {}", E.ln());
    println!("log10(100) = {}", dec128!(100.0).log10());
    
    // 特殊值处理
    let inf = D128::INFINITY;
    let nan = D128::NAN;
    println!("Infinity + 1 = {}", inf + D128::one());
    println!("NaN == NaN? {}", nan == nan);  // false
}

补充完整示例

以下是一个更完整的金融计算示例,展示了fastnum在金融领域的应用:

use fastnum::*;

fn main() {
    // 金融计算示例 - 期权定价
    let s = dec128!(100.0);  // 标的资产价格
    let k = dec128!(105.0);  // 行权价
    let r = dec128!(0.05);   // 无风险利率
    let t = dec128!(1.0);    // 到期时间(年)
    let sigma = dec128!(0.2); // 波动率
    
    // 计算看涨期权价格(Black-Scholes模型)
    let call_price = black_scholes_call(s, k, r, t, sigma);
    println!("看涨期权价格: {}", call_price);
    
    // 计算贷款还款计划
    let loan_amount = dec128!(100000.0);
    let annual_rate = dec128!(0.06); // 6%年利率
    let years = dec128!(30.0);
    calculate_loan_payment(loan_amount, annual_rate, years);
}

// Black-Scholes看涨期权定价公式
fn black_scholes_call(s: D128, k: D128, r: D128, t: D128, sigma: D128) -> D128 {
    let sqrt_t = t.sqrt();
    let d1 = ((s / k).ln() + (r + sigma.pow(2) / dec128!(2.0)) * t) / (sigma * sqrt_t);
    let d2 = d1 - sigma * sqrt_t;
    
    // 使用标准正态分布函数(这里简化处理,实际应用中需要实现)
    let nd1 = norm_cdf(d1);
    let nd2 = norm_cdf(d2);
    
    s * nd1 - k * (-r * t).exp() * nd2
}

// 简化版标准正态分布CDF
fn norm_cdf(x: D128) -> D128 {
    // 实际应用中应该实现完整的近似计算
    if x > dec128!(0.0) {
        dec128!(0.5)
    } else {
        dec128!(0.5)
    }
}

// 计算等额本息贷款还款计划
fn calculate_loan_payment(loan_amount: D128, annual_rate: D128, years: D128) {
    let monthly_rate = annual_rate / dec128!(12.0);
    let months = years * dec128!(12.0);
    
    // 每月还款额公式: P * r * (1+r)^n / ((1+r)^n - 1)
    let monthly_payment = loan_amount * monthly_rate * 
        (D128::one() + monthly_rate).pow(months) / 
        ((D128::one() + monthly_rate).pow(months) - D128::one());
    
    println!("贷款金额: {}", loan_amount);
    println!("年利率: {}%", annual_rate * dec128!(100.0));
    println!("贷款期限: {}年", years);
    println!("每月还款额: {}", monthly_payment);
    
    // 计算总还款额和总利息
    let total_payment = monthly_payment * months;
    let total_interest = total_payment - loan_amount;
    println!("总还款额: {}", total_payment);
    println!("总利息: {}", total_interest);
}

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Rust高性能数值计算库fastnum使用指南

介绍

fastnum是一个Rust语言的高性能数值计算库,专注于提供快速数学运算和数值处理功能。它针对常见的数值计算场景进行了优化,特别适合需要高性能数学运算的应用场景。

主要特性

  • 优化的基本数学运算(加、减、乘、除等)
  • 快速三角函数计算
  • 高效的指数和对数函数
  • 向量化运算支持
  • SIMD加速(如果硬件支持)

安装

在Cargo.toml中添加依赖:

[dependencies]
fastnum = "0.3"

基本使用方法

1. 基本运算

use fastnum::*;

fn main() {
    // 快速加法
    let sum = fast_add(3.14, 2.71);
    println!("3.14 + 2.71 = {}", sum);
    
    // 快速乘法
    let product = fast_mul(5.0, 7.0);
    println!("5 * 7 = {}", product);
}

2. 三角函数

use fastnum::*;

fn main() {
    let angle = 45.0_f64.to_radians();
    
    // 快速正弦计算
    let sin_val = fast_sin(angle);
    println!("sin(45°) = {}", sin_val);
    
    // 快速余弦计算
    let cos_val = fast_cos(angle);
    println!("cos(45°) = {}", cos_val);
}

3. 指数和对数

use fastnum::*;

fn main() {
    // 快速指数计算
    let exp_val = fast_exp(2.0);
    println!("e^2 = {}", exp_val);
    
    // 快速自然对数
    let ln_val = fast_ln(10.0);
    println!("ln(10) = {}", ln_val);
}

4. 向量运算

use fastnum::*;

fn main() {
    let a = vec![1.0, 2.0, 3.0, 4.0];
    let b = vec![5.0, 6.0, 7.0, 8.0];
    let mut result = vec![0.0; 4];
    
    // 向量加法
    fast_vec_add(&a, &b, &mut result);
    println!("向量加法结果: {:?}", result);
    
    // 向量点积
    let dot_product = fast_vec_dot(&a, &b);
    println!("向量点积: {}", dot_product);
}

性能优化技巧

  1. 批量处理数据:尽可能使用向量运算而不是单个数值运算
  2. 重用内存:预分配结果向量并在多个运算中重用
  3. 启用SIMD:如果你的CPU支持SIMD指令集,编译时加上相应特性
[features]
default = []
simd = ["fastnum/simd"]

注意事项

  • fastnum在精度和速度之间做了权衡,某些函数可能不如标准库函数精确
  • 对于不需要极致性能的场景,Rust标准库的数学函数可能更合适
  • 使用前建议对关键计算进行基准测试,确保fastnum确实能带来性能提升

示例:使用fastnum实现简单神经网络激活函数

use fastnum::*;

fn relu(x: f32) -> f32 {
    fast_max(0.0, x)
}

fn sigmoid(x: f32) -> f32 {
    1.0 / (1.0 + fast_exp(-x))
}

fn main() {
    let input = 1.5;
    println!("ReLU({}) = {}", input, relu(input));
    println!("Sigmoid({}) = {}", input, sigmoid(input));
}

完整示例:使用fastnum进行矩阵运算

use fastnum::*;

fn main() {
    // 创建两个3x3矩阵
    let matrix_a = vec![
        vec![1.0, 2.0, 3.0],
        vec![4.0, 5.0, 6.0],
        vec![7.0, 8.0, 9.0]
    ];
    
    let matrix_b = vec![
        vec![9.0, 8.0, 7.0],
        vec![6.0, 5.0, 4.0],
        vec![3.0, 2.0, 1.0]
    ];
    
    let mut result = vec![vec![0.0; 3]; 3];
    
    // 矩阵乘法
    for i in 0..3 {
        for j in 0..3 {
            // 使用fastnum的点积函数计算每个元素
            let row = &matrix_a[i];
            let col: Vec<f64> = matrix_b.iter().map(|r| r[j]).collect();
            result[i][j] = fast_vec_dot(&row, &col);
        }
    }
    
    println!("矩阵乘法结果:");
    for row in result {
        println!("{:?}", row);
    }
    
    // 计算矩阵的Frobenius范数
    let mut norm = 0.0;
    for row in &matrix_a {
        for &val in row {
            norm += fast_mul(val, val);
        }
    }
    norm = fast_sqrt(norm);
    println!("矩阵A的Frobenius范数: {}", norm);
    
    // 使用fastnum的三角函数计算旋转矩阵
    let theta = 30.0_f64.to_radians();
    let rotation_matrix = vec![
        vec![fast_cos(theta), -fast_sin(theta), 0.0],
        vec![fast_sin(theta), fast_cos(theta), 0.0],
        vec![0.0, 0.0, 1.0]
    ];
    
    println!("30度旋转矩阵:");
    for row in rotation_matrix {
        println!("{:?}", row);
    }
}

fastnum特别适合需要大量数值计算的场景,如科学计算、机器学习、游戏开发等领域。根据你的具体需求,可以灵活选择使用fastnum的哪些功能。

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