Рассказы о математике с примерами на языках Python и C
Рассказы о математике с примерами на языках Python и C читать книгу онлайн
Вниманию читателей представляется книга «Рассказы о математике с примерами на языках Python и C». В книге описаны различные истории или задачи, прямо или косвенно связанные с математикой (магические квадраты, простые числа и пр). Кратко рассмотрены более сложные моменты, например выполнение вычислений с помощью GPU.
Внимание! Книга может содержать контент только для совершеннолетних. Для несовершеннолетних чтение данного контента СТРОГО ЗАПРЕЩЕНО! Если в книге присутствует наличие пропаганды ЛГБТ и другого, запрещенного контента - просьба написать на почту [email protected] для удаления материала
digits = set(range(1,16+1))
cnt = 0
for x11 in digits:
for x12 in digits - set([x11]):
for x13 in digits - set([x11, x12]):
for x14 in digits - set([x11, x12, x13]):
s = x11 + x12 + x13 + x14
if s < 22: continue
for x21 in digits - set([x11, x12, x13, x14]):
for x22 in digits - set([x11, x12, x13, x14, x21]):
for x23 in digits - set([x11, x12, x13, x14, x21, x22]):
x24 = s - x21 - x22 - x23
if x24 <= 0 or x24 in [x11, x12, x13, x14, x21, x22, x23]: continue
for x31 in digits - set([x11, x12, x13, x14, x21, x22, x23, x24]):
for x32 in digits - set([x11, x12, x13, x14, x21, x22, x23, x24, x31]):
for x33 in digits - set([x11, x12, x13, x14, x21, x22, x23, x24, x31, x32]):
x34 = s - x31 - x32 - x33
x41 = s - x11 - x21 - x31
x42 = s - x12 - x22 - x32
x43 = s - x13 - x23 - x33
x44 = s - x14 - x24 - x34
if x34 <= 0 or x41 <= 0 or x42 <= 0 or x43 <= 0 or x44 <= 0: continue
data = [x11, x12, x13, x14, x21, x22, x23, x24, x31, x32, x33, x34, x41, x42, x43, x44]
if len(data) != len(set(data)): continue
if is_magic(data, 4):
print data
cnt += 1
print cntВ результате, программа проработала всего лишь около часа (вместо 3-х лет!), всего было выведено 7040 квадратов размерностью 4х4. Разумеется, большинство из них являются поворотами или отражениями друг друга, было доказано что уникальных квадратов всего 880.
Вспомним магический квадрат Дюрера, в нижнем его столбце есть цифры 1514, соответствующие году создания гравюры. С помощью программы можно решить еще одну задачу: посмотреть сколько всего возможно квадратов с такими цифрами. Здесь число вариантов перебора еще меньше, т. к. еще 2 цифры фиксированы. Оказывается, помимо «авторского», возможны всего 32 варианта, например:
| 1 15 14 4 | 2 15 14 3 |
| 5 11 8 10 | 5 10 7 12 |
| 12 6 9 7 | 11 8 9 6 |
| 16 2 3 13 | 16 1 4 13 |
Интересно, что верхний ряд помимо цифр 15 и 14 может содержать либо 1, 4 либо 2, 3, других вариантов нет. Разные варианты содержат лишь перестановки этих цифр.
Если же говорить о квадратах большей размерности, то число вариантов перебора для них получается слишком большим. Так для квадрата 5х5, даже если выразить крайние члены через соседние, получаем 4х4 остающихся клеток, что даст нам те же самые 16! вариантов перебора. Разумеется, в реальности такие квадраты не строили методом полного перебора, существует множество алгоритмов их построения, например метод Франклина, Россера, Рауз-Болла, желающие могут поискать их самостоятельно. В архиве с книгой приложен файл «07 - magic5.cpp» для расчета квадратов 5х5 на С++, но автору так и не хватило терпения дождаться результатов.
И наконец, можно вспомнить так называемые «пандиагональные» магические квадраты. Это квадраты, в которых учитываются суммы также «косых» диагоналей, которые получаются если вырезать квадрат из бумаги и склеить его в тор. Желающие могут добавить в программу вывод таких квадратов самостоятельно.
8. Магический квадрат из простых чисел
Существует еще одна разновидность магического квадрата — составленного из простых чисел. Пример такого квадрата показан на рисунке:
| 29 | 131 | 107 |
| 167 | 89 | 11 |
| 71 | 47 | 149 |
Приведенную выше программу легко модифицировать для такого расчета: достаточно лишь заменить множество
digits = set(range(1, 16 + 1))Для примера будем искать квадраты среди трехзначных простых чисел от 101 до 491. Заменим в предыдущей версии программы строку
digits = set([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
primes = [ 101, 103, 107, 109, 113, 127, 131, 137, 139, 149, 151, 157, 163,
167, 173, 179, 181, 191, 193, 197, 199, 211, 223, 227, 229, 233, 239, 241, 251,
257, 263, 269, 271, 277, 281, 283, 293, 307, 311, 313, 317, 331, 337, 347, 349,
353, 359, 367, 373, 379, 383, 389, 397, 401, 409, 419, 421, 431, 433, 439, 443,
449, 457, 461, 463, 467, 479, 487, 491 ]
digits = set(primes)Таких квадратов нашлось 40, например:
| 233 | 167 | 389 |
| 419 | 263 | 107 |
| 137 | 359 | 293 |
Сумма чисел равна вполне красивому числу 789.
Т. к. число вариантов перебора больше, программа работает дольше. Время поиска составило 724 с для Python-версии и 316 c для программы на C++.
T = 316.00s = C++
T = 724.4s = Python
Если же рассматривать минимально возможный квадрат из простых чисел, то его сумма равняется тоже вполне «красивому» числу 111:
| 7 | 61 | 43 |
| 73 | 37 | 1 |
| 31 | 13 | 67 |
