Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
글쓴 사람
정성태 (techsharer at outlook.com)
홈페이지
첨부 파일
 

(시리즈 글이 8개 있습니다.)
.NET Framework: 539. C# - 부동 소수 계산 왜 이렇게 나오죠? (1)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/10872

.NET Framework: 540. C# - 부동 소수 계산 왜 이렇게 나오죠? (2)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/10873

.NET Framework: 608. double 값을 구할 때는 반드시 피연산자를 double로 형변환!
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11055

개발 환경 구성: 440. C#, C++ - double의 Infinity, NaN 표현 방식
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11896

기타: 85. 단정도/배정도 부동 소수점의 정밀도(Precision)에 따른 형변환 손실
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13212

닷넷: 2257. C# - float (단정도 실수) 저장소의 비트 구조
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13617

닷넷: 2258. C# - double (배정도 실수) 저장소의 비트 구조
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13618

닷넷: 2259. C# - decimal 저장소의 비트 구조
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13619




단정도/배정도 부동 소수점의 정밀도(Precision)에 따른 형변환 손실

명백히, 아래의 실수 2개는 다른 값입니다.

1129115336.790
1129115376.400

하지만, 이러한 다름은 8바이트 배정도 실수일 때 그런 것이지, 4바이트 단정도 실수일 때는 값이 같습니다.

// C# 11 + .NET 7

static void Main(string[] args)
{
    float old = 1129115336.790f;
    Console.WriteLine($"{old:F10}");

    float current = 1129115376.400f;
    Console.WriteLine($"{current:F10}");
}

/* 출력 결과
1129115392.0000000000
1129115392.0000000000
*/

그리고 이건 IEEE 754 부동 소수점 포맷을 따르는 모든 언어에서 같습니다. 에를 들어 Go 언어에서도 동일한 출력을 확인할 수 있습니다.

// Go 1.19.4

func main() {
    var old float32 = 1129115336.790
    var current float32 = 1129115376.400

    fmt.Printf("%.10f\n", old)
    fmt.Printf("%.10f\n", current)
}

/* 출력 결과
1129115392.0000000000
1129115392.0000000000
*/

이런 현상이 발생하는 원인은, 배정도 실수의 경우 가수 부분으로 52비트를 할당한 반면, 단정도 실수는 23비트라는 (어쩔 수 없었겠지만) 짧은 정밀도를 가진 탓에 있습니다.

[단정도 실수 - 그림 출처: https://ko.wikipedia.org/wiki/IEEE_754]
single_float_1.png

[배정도 실수 - 그림 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Double-precision_floating-point_format]
single_float_2.png

실제로 우리가 테스트했던 10진수 숫자를 2진수로 바꾸면 다음과 같은데요,

// 1129115336.790
0100 0011 0100 1100 1110 1110 1100 1000.1100 1010 0011 1101 0111

// 1129115376.400
0100 0011 0100 1100 1110 1110 1111 0000.0110 0110 0110 0110 0110

앞자리를 1로 놓고 지수를 결정하는 식으로 정규화를 하기 때문에 다음과 같이 23비트에 해당하는 가수가 각각 선택됩니다.

// 1129115336.790
    _100 0011 0100 1100 1110 1110 1...
==> 마지막 자리가 1이므로 반올림
    _100 0011 0100 1100 1110 1111

// 1129115376.400
    _100 0011 0100 1100 1110 1110 1...
==> 마지막 자리가 1이므로 반올림
    _100 0011 0100 1100 1110 1111

결국, 정수 영역에 해당하는 것조차 23비트 가수 영역으로는 부족한 상태이므로 소수점 영역은 아예 전부 잘려나갔습니다. 이처럼 float32로 표현되면 그 숫자 값이 1129115376이 되어 값이 같아진 것입니다.

그리고 원래의 값과 비교했을 때, 10진수의 보존된 값은 앞에서 6자리입니다.




위에서 제가 "6자리"의 숫자가 보존되었다고 했는데요, C#의 실수 표현 문서를 보면,

Floating-point numeric types (C# reference)
; https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/floating-point-numeric-types

single_float_3.png

float(32비트)의 경우 Precision이 "~6-9 digits"라는 문구를 볼 수 있는데, 위에서 테스트한 6자리는 그 기준에 부합합니다. 지수를 생각하지 않는다면 가수부의 23비트는 액면 그대로 10진수 7자리에 해당하기 때문에 아마도 일반적인 경우 6~9자리의 10진수 정도에 해당하는 정밀도가 있다고 하는 것 같습니다. (혹시, 정확하게 이때의 정밀도에 대해 설명해 주실 분이 계실까요? ^^ 덧글 부탁드립니다.) 하지만 가수와 지수를 구분해서 보관한다는 실수 표현의 성격상, 가수에 해당하는 비트만 보관할 수 있다면 경우에 따라 전체 숫자 값이 그대로 보존될 수 있는 여지가 있습니다.

가령 위에서 예로 든 "1,129,115,336.790" 값의 정수 부분과 정확히 자릿수가 일치하는 "2,147,483,648" 값은 숫자가 더 큼에도 불구하고 float32로 잘 보존이 됩니다.

float t2 = 2147483648f;
Console.WriteLine($"{t2:F10}"); // 출력 결과: 2147483648.0000000000

왜냐하면 해당 숫자는 2진수로 이렇고,

1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

따라서, 단 1비트만 보관할 수 있어도 나머지는 지수로 감당하므로 숫자가 그대로 보존된 것입니다. 따라서 이런 경우에는 10진수 숫자의 모든 값이 잘 보존되었으므로 정밀도는 10이 된 것입니다.

물론, 23비트만 만족한다면, 더 큰 숫자도 보존할 수 있습니다.

4,784,511,654,127,730,688
==> 0100 0010 0110 0110 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

가수부에 보존할 값 23비트
.100 0010 0110 0110 0000 0000

실제로 직접 C# 코딩으로 테스트해도 결과가 잘 나옵니다.

BigInteger b = BigInteger.Parse("4784511654127730688");
float t3 = (float)b;
Console.WriteLine($"{t3:F10}");

// 출력 결과: 4784511654127730688.0000000000

저렇게 되면 정밀도는 19가 되는 건가요? ^^

반대로, 10진수로는 0.1인 단순한 값조차도 2진수로는 표현할 수 없다는 한계로 인해 부동 소수에서는 제대로 값을 표현하지 못하는 문제도 있습니다.

// 10진수 0.1
//  2진수 0.0001100110011001100...[1100 반복]....
float f1 = 0.1f;
Console.WriteLine($"{f1:F70}");

double f2 = 0.1;
Console.WriteLine($"{f2:F70}");

/* 출력 결과
0.1000000014901161193847656250000000000000000000000000000000000000000000
0.1000000000000000055511151231257827021181583404541015625000000000000000
*/




이처럼, 가수부와 지수부에 대한 독립적인 역할로 인해 부동 소수점 데이터 타입의 경우에는 (정수와는 달리) 작은 숫자 범위에서는 형변환 손실이 없을 거라는, 또는 그 반대로 큰 숫자 범위에서는 반드시 형변환 손실이 있을 거라는 가정을 해서는 안 됩니다.

암튼, 이런저런 부동 소수점의 특성 때문에 이렇게나 많은 글들을 쓰게 되는군요. ^^

C# - 부동 소수 계산 왜 이렇게 나오죠? (1)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/10872

C# - 부동 소수 계산 왜 이렇게 나오죠? (2)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/10873

double 값을 구할 때는 반드시 피연산자를 double로 형변환!
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11055

C#, C++ - double의 Infinity, NaN 표현 방식
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11896




[이 글에 대해서 여러분들과 의견을 공유하고 싶습니다. 틀리거나 미흡한 부분 또는 의문 사항이 있으시면 언제든 댓글 남겨주십시오.]







[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 1/8/2023]

Creative Commons License
이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 코리아 저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 라이센스에 따라 이용하실 수 있습니다.
by SeongTae Jeong, mailto:techsharer at outlook.com

비밀번호

댓글 작성자
 




... 166  167  168  169  170  171  172  173  [174]  175  176  177  178  179  180  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
653정성태1/29/200921985.NET Framework: 122. XML Serializer를 이용한 값 복사: 성능은 어떨까!파일 다운로드1
652정성태1/22/200922784.NET Framework: 121. WPF - PrintTicket provider failed to bind to printer.
651정성태1/20/200920079.NET Framework: 120. 타입이 다른 배열끼리의 변환
650정성태1/19/200931858COM 개체 관련: 21. C/C++ 프로젝트에 /clr 옵션 적용으로 인한 COM 개체 사용 오류
649정성태1/18/200929408Windows: 38. Q1U UMPC에 Windows 7 베타 설치하기
648정성태1/18/200928104Windows: 37. Windows PE를 USB 메모리에 적용
647정성태1/18/200938246Windows: 36. Windows PE ISO 이미지 만들기 [1]
646정성태1/18/200931217디버깅 기술: 23. COMPLUS_ZapDisable - JIT 최적화 코드 생성 제어 [1]
645정성태1/11/200930009Windows: 35. 서명되지 않은 드라이버 로딩 방법
644정성태1/11/200921088Windows: 34. VPC 설치 후기 [2]
643정성태1/10/200926508Windows: 33. Windows 7 베타와 VMA 충돌 [1]
642정성태1/8/200925248개발 환경 구성: 34. Sysinternals의 모든 툴을 한번에 업데이트 하는 방법 [1]
641정성태1/7/200922384기타: 27. D820 - A09 바이오스 업데이트 프로그램 패치 [2]
640정성태1/4/200924051Team Foundation Server: 29. ClickOnce 응용 프로그램 배포를 Team Build에 추가.
639정성태1/4/200922047Team Foundation Server: 28. PFX 코드 서명을 포함한 프로젝트의 팀 빌드 실패 - MSB4018
638정성태1/3/200925085.NET Framework: 119. WPF - 의존 속성 정의에서 XamlParseException 발생하는 예 [2]
637정성태1/1/200927303기타: 26. 2008년 인기 순위 정리
636정성태12/31/200822418.NET Framework: 118. 2진 검색을 이용한 리스트 정렬 삽입파일 다운로드1
635정성태12/29/200825033오류 유형: 66. 파일 암호화 오류 - Recovery policy configured for this system contains invalid recovery certificate
634정성태12/29/200839384기타: 25. 가상 키보드 관련 정리 [4]
633정성태12/20/200824857기타: 24. RMClock for x64 [2]
632정성태12/19/200833482기타: 23. D820 - 배터리 없이 바이오스 업데이트 방법 [2]파일 다운로드1
631정성태12/10/200842145VC++: 36. Detours 라이브러리를 이용한 Win32 API - Sleep 호출 가로채기 [3]
630정성태12/9/200822968.NET Framework: 117. WPF - TreeView에서 항목이 펼쳐질 때 Cursors.Wait 사용파일 다운로드1
629정성태12/7/200832123.NET Framework: 116. 소켓 연결 시간 제한
628정성태12/6/200821055.NET Framework: 115. Marshal 타입 관련 2가지 자원 해제 메서드파일 다운로드1
... 166  167  168  169  170  171  172  173  [174]  175  176  177  178  179  180  ...