Issue #5262: Improved fix.
[python.git] / Doc / tutorial / floatingpoint.rst
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1 .. _tut-fp-issues:
3 **************************************************
4 Floating Point Arithmetic:  Issues and Limitations
5 **************************************************
7 .. sectionauthor:: Tim Peters <tim_one@users.sourceforge.net>
10 Floating-point numbers are represented in computer hardware as base 2 (binary)
11 fractions.  For example, the decimal fraction ::
13    0.125
15 has value 1/10 + 2/100 + 5/1000, and in the same way the binary fraction ::
17    0.001
19 has value 0/2 + 0/4 + 1/8.  These two fractions have identical values, the only
20 real difference being that the first is written in base 10 fractional notation,
21 and the second in base 2.
23 Unfortunately, most decimal fractions cannot be represented exactly as binary
24 fractions.  A consequence is that, in general, the decimal floating-point
25 numbers you enter are only approximated by the binary floating-point numbers
26 actually stored in the machine.
28 The problem is easier to understand at first in base 10.  Consider the fraction
29 1/3.  You can approximate that as a base 10 fraction::
31    0.3
33 or, better, ::
35    0.33
37 or, better, ::
39    0.333
41 and so on.  No matter how many digits you're willing to write down, the result
42 will never be exactly 1/3, but will be an increasingly better approximation of
43 1/3.
45 In the same way, no matter how many base 2 digits you're willing to use, the
46 decimal value 0.1 cannot be represented exactly as a base 2 fraction.  In base
47 2, 1/10 is the infinitely repeating fraction ::
49    0.0001100110011001100110011001100110011001100110011...
51 Stop at any finite number of bits, and you get an approximation.  This is why
52 you see things like::
54    >>> 0.1
55    0.10000000000000001
57 On most machines today, that is what you'll see if you enter 0.1 at a Python
58 prompt.  You may not, though, because the number of bits used by the hardware to
59 store floating-point values can vary across machines, and Python only prints a
60 decimal approximation to the true decimal value of the binary approximation
61 stored by the machine.  On most machines, if Python were to print the true
62 decimal value of the binary approximation stored for 0.1, it would have to
63 display ::
65    >>> 0.1
66    0.1000000000000000055511151231257827021181583404541015625
68 instead!  The Python prompt uses the built-in :func:`repr` function to obtain a
69 string version of everything it displays.  For floats, ``repr(float)`` rounds
70 the true decimal value to 17 significant digits, giving ::
72    0.10000000000000001
74 ``repr(float)`` produces 17 significant digits because it turns out that's
75 enough (on most machines) so that ``eval(repr(x)) == x`` exactly for all finite
76 floats *x*, but rounding to 16 digits is not enough to make that true.
78 Note that this is in the very nature of binary floating-point: this is not a bug
79 in Python, and it is not a bug in your code either.  You'll see the same kind of
80 thing in all languages that support your hardware's floating-point arithmetic
81 (although some languages may not *display* the difference by default, or in all
82 output modes).
84 Python's built-in :func:`str` function produces only 12 significant digits, and
85 you may wish to use that instead.  It's unusual for ``eval(str(x))`` to
86 reproduce *x*, but the output may be more pleasant to look at::
88    >>> print str(0.1)
89    0.1
91 It's important to realize that this is, in a real sense, an illusion: the value
92 in the machine is not exactly 1/10, you're simply rounding the *display* of the
93 true machine value.
95 Other surprises follow from this one.  For example, after seeing ::
97    >>> 0.1
98    0.10000000000000001
100 you may be tempted to use the :func:`round` function to chop it back to the
101 single digit you expect.  But that makes no difference::
103    >>> round(0.1, 1)
104    0.10000000000000001
106 The problem is that the binary floating-point value stored for "0.1" was already
107 the best possible binary approximation to 1/10, so trying to round it again
108 can't make it better:  it was already as good as it gets.
110 Another consequence is that since 0.1 is not exactly 1/10, summing ten values of
111 0.1 may not yield exactly 1.0, either::
113    >>> sum = 0.0
114    >>> for i in range(10):
115    ...     sum += 0.1
116    ...
117    >>> sum
118    0.99999999999999989
120 Binary floating-point arithmetic holds many surprises like this.  The problem
121 with "0.1" is explained in precise detail below, in the "Representation Error"
122 section.  See `The Perils of Floating Point <http://www.lahey.com/float.htm>`_
123 for a more complete account of other common surprises.
125 As that says near the end, "there are no easy answers."  Still, don't be unduly
126 wary of floating-point!  The errors in Python float operations are inherited
127 from the floating-point hardware, and on most machines are on the order of no
128 more than 1 part in 2\*\*53 per operation.  That's more than adequate for most
129 tasks, but you do need to keep in mind that it's not decimal arithmetic, and
130 that every float operation can suffer a new rounding error.
132 While pathological cases do exist, for most casual use of floating-point
133 arithmetic you'll see the result you expect in the end if you simply round the
134 display of your final results to the number of decimal digits you expect.
135 :func:`str` usually suffices, and for finer control see the :meth:`str.format`
136 method's format specifiers in :ref:`formatstrings`.
139 .. _tut-fp-error:
141 Representation Error
142 ====================
144 This section explains the "0.1" example in detail, and shows how you can perform
145 an exact analysis of cases like this yourself.  Basic familiarity with binary
146 floating-point representation is assumed.
148 :dfn:`Representation error` refers to the fact that some (most, actually)
149 decimal fractions cannot be represented exactly as binary (base 2) fractions.
150 This is the chief reason why Python (or Perl, C, C++, Java, Fortran, and many
151 others) often won't display the exact decimal number you expect::
153    >>> 0.1
154    0.10000000000000001
156 Why is that?  1/10 is not exactly representable as a binary fraction. Almost all
157 machines today (November 2000) use IEEE-754 floating point arithmetic, and
158 almost all platforms map Python floats to IEEE-754 "double precision".  754
159 doubles contain 53 bits of precision, so on input the computer strives to
160 convert 0.1 to the closest fraction it can of the form *J*/2**\ *N* where *J* is
161 an integer containing exactly 53 bits.  Rewriting ::
163    1 / 10 ~= J / (2**N)
165 as ::
167    J ~= 2**N / 10
169 and recalling that *J* has exactly 53 bits (is ``>= 2**52`` but ``< 2**53``),
170 the best value for *N* is 56::
172    >>> 2**52
173    4503599627370496L
174    >>> 2**53
175    9007199254740992L
176    >>> 2**56/10
177    7205759403792793L
179 That is, 56 is the only value for *N* that leaves *J* with exactly 53 bits.  The
180 best possible value for *J* is then that quotient rounded::
182    >>> q, r = divmod(2**56, 10)
183    >>> r
184    6L
186 Since the remainder is more than half of 10, the best approximation is obtained
187 by rounding up::
189    >>> q+1
190    7205759403792794L
192 Therefore the best possible approximation to 1/10 in 754 double precision is
193 that over 2\*\*56, or ::
195    7205759403792794 / 72057594037927936
197 Note that since we rounded up, this is actually a little bit larger than 1/10;
198 if we had not rounded up, the quotient would have been a little bit smaller than
199 1/10.  But in no case can it be *exactly* 1/10!
201 So the computer never "sees" 1/10:  what it sees is the exact fraction given
202 above, the best 754 double approximation it can get::
204    >>> .1 * 2**56
205    7205759403792794.0
207 If we multiply that fraction by 10\*\*30, we can see the (truncated) value of
208 its 30 most significant decimal digits::
210    >>> 7205759403792794 * 10**30 / 2**56
211    100000000000000005551115123125L
213 meaning that the exact number stored in the computer is approximately equal to
214 the decimal value 0.100000000000000005551115123125.  Rounding that to 17
215 significant digits gives the 0.10000000000000001 that Python displays (well,
216 will display on any 754-conforming platform that does best-possible input and
217 output conversions in its C library --- yours may not!).