Egy matematika érettségi feladat megoldása programozással 2022

érettségi logó

érettségi logóA 2022-es középszintű matematika érettségi feladatsor eléggé egyszerű volt, de azért a 6. feladata inspirált arra, hogy a programozás eszköztárával oldjuk meg ezt a feladatot. Szükséges hozzá a megszámolás programozási tétel. Többféle megoldás/megközelítés (iteratív és rekurzív) is előkerül. Érdekes belegondolni, hogy mennyire más lehetne a problémamegoldás, ha programozhatnánk a matematika érettségi vizsgán. A teljes feladatsor a megoldásokkal együtt letölthető az oktatas.hu-ról.

6. feladat

Egy feleletválasztós teszt 5 kérdésből áll, minden kérdésnél négy válaszlehetőség van. Hányféleképpen lehet az 5 kérdésből álló tesztet kitölteni, ha minden kérdésnél egy választ kell megjelölni?

1. megoldás

Rögtön tudjuk, hogy ez kombinatorika, n elem k-ad osztályú ismétléses variációja, amelynek paraméterei: n=4, k=5. A hatványozás azonosságainak ismeretében fejből is tudjuk a megoldást: 45=210=1024. A Java forráskód elvégzi a hatványozást. A Math.pow() függvény általánosabb, mint amire most szükségünk van. Fogad double valós paramétereket és double típusú értékkel tér vissza. Ezért hasznos az (int) explicit típuskényszerítés.

Másképpen: négy elemű halmazból öt elemet kiválasztunk és ezeket sorba rendezzük (permutáljuk) és egy elemet egy csoportban akár ötször is felhasználhatunk. Számít a sorrend. A lehetséges variációk száma: 1024.

2. megoldás

Ha hasznos lenne egy általános metódus az ismétléses variáció kiszámítására, akkor ez egy tipikus megoldás lehet erre. Kiegészítendő még a két paraméter előjelének ellenőrzésével.

3. megoldás

Ha a megértést segíti, akkor a teljes leszámolás (brute force) módszerével, egymásba ágyazott ciklusokkal könnyen kiírathatjuk a konzolra az 1024 db különböző válaszlehetőséget. A k-val kezdődő sorszámozott ciklusváltozók jelölik az öt kérdést, azon belül az 'a'-tól 'd'-ig karakterek adják a válaszlehetőségeket. Eredményül ezt kapjuk (görgethető):

4. megoldás

Ha csak a végeredmény szükséges, akkor ez az iteratív megoldás a megszámolás programozási tétellel előállítja azt.

5. megoldás

Ez egy rekurzív megoldás. Ciklus helyett a metódus önmagát hívja meg, így valósul meg az ismételt utasításvégrehajtás. A válaszlehetőségek összefűzésével (konkatenáció) előállított válasz akkor megfelelő, ha annak hossza öt. Ez esetben kiíródik a válaszlehetőség a konzolra (mintegy mellékhatásként). Ugyanazt az eredményt kapjuk, mint a 3. megoldásnál.

6. megoldás

Szintén, ha csak a végeredmény szükséges, akkor ez a mellékhatással rendelkező rekurzív metódus előállítja azt. A mellékhatás most az, hogy a metódus eljárás és nem függvény és szükséges hozzá a db osztályváltozó (ami a metódushoz képest globálisnak is tekinthető).

7. megoldás

Ez a megoldás a válaszlehetőségeket megfelelteti n alapú számrendszerben k számjegyből álló számoknak. A kétdimenziós tömbben számokat tárol, így:

  • 1,…,1,1 → 0…0000
  • 1,…,1,2 → 0…0001
  • 1,…,1,n → 0…001(n1)
  • 1,…,2,n → 0…001(n1)
  • n,…,n,n → (n1)...(n1)

Végül a kiíró ciklus ezeket a számokat karakterekké alakítja ( 'a' ASCII kódja 97) és fordított sorrendben írja ki, hogy ugyanazt az eredményt kapjuk, mint a 3. megoldásnál.

Továbbfejlesztési lehetőségek

  • A 2. megoldáshoz: teszteljük le a lehetséges túlcsordulást és az int típus helyett szükség esetén használjunk long típust!
  • A 3. megoldáshoz: építsünk kétdimenziós tömb adatszerkezetet, amiből később az i-edik válaszlehetőség megadható!
  • Előzőhöz: állítsuk elő lexikografikus sorrendben az i-edik válaszlehetőséget adatszerkezet felépítése nélkül!
  • A 6. megoldáshoz: valósítsuk meg a rekurzív gondolatmenetet mellékhatás nélkül!
  • Teszteljünk: mennyi idő alatt hajtódik végre a 4. és a 6. megoldás? Mekkora paraméterekkel érzékelhető, hogy a rekurzió jóval lassabban fut?
  • A 7. megoldáshoz: cseréljük le az egésztömb adatszerkezetet karaktertömbre!

A bejegyzéshez tartozó teljes forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

Ajánljuk matematika érettségi feladat címkénket, mert a témában évről-évre blogolunk.

A feladat a Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam szakmai moduljának 5-8. óra: Vezérlési szerkezetek, valamint 21-24. óra: Objektumorientált programozás 1. rész alkalmaihoz kötődik.

Ratkó István emlékest 2022

A Gábor Dénes Főiskolán működő Ratkó István matematika interdiszciplináris alkalmazásai Műhely 2022. március 25-én 10. alkalommal rendezte meg a Ratkó István emlékestet. Ezen már többször is részt vettem előadóként és a hallgatóság tagjaként is. 2014-ben Prímszámkereső algoritmusok hatékonysága címmel, 2015-ben A bűvös négyzet története és előállítása (oktatóprogram) címmel tartottam előadást. A jubileumi emlékesten pedig „Töltsünk ki az ötöslottón 100 szelvényt úgy, hogy valamelyik szelvénnyel biztosan legyen két találatunk!” – a feladat megoldásához vezető út címmel tartottam előadást.

A blog bejegyzésben röviden összefoglalom az előadást:

  • Személyes élmények Ratkó tanár úrhoz kötődően
  • Ötöslottó: diszkrét matematika, elemi kombinatorikai feladat, lehetséges különböző szelvények száma, öttalálatos valószínűsége, szemléltetés
  • Véletlenszámok előállítása: valódi és ál (pszeudo) véletlenszámok, hardveres és szoftveres megoldások áttekintése, LCG
  • Egyetlen véletlenszám előállítása Java nyelven: procedurális, OO, szálbiztos megoldások
  • Egyetlen lottószelvény előállítása Java nyelven: adatszerkezet nélkül, logikai tömb (demóprogram), számtömb, szöveg (McMillan egyenlőtlenség, optimális kód, Huffman kód, prefixmentes kódolás, Shannon-Fano kód, hibajelző és hibajavító kód, Hamming távolság, Reed-Solomon kód, algebra: véges testek megkonstruálása), generikus lista (érték), generikus lista (keverés), generikus lista (elfogyasztás), generikus halmaz, funkcionális programozás / algoritmusok és adatszerkezetek rövid elemzése, összehasonlítása, kompromisszumok
  • Találatok száma: matematika vs. programozási tételek, metszet tömbbel és generikus listával, Stream API-val, lambda kifejezéssel
  • Különböző lottószelvények előállítása: összes eset, brute force, mesterséges intelligencia, problématér|állapottér, kombinatorikai robbanás kontrollálása
    (szemléletváltás: az eddigi 1-90 intervallumból kiválasztott 5 különböző szám egy lottószelvényt jelentett, mostantól az 1-43949268 intervallumból kiválasztott különböző számok különböző lottószelvényeket jelentenek)

Eddig minden feldolgozható a középiskolás matematikai eszköztárral és kezdő Java objektumorientált programozás által biztosított mozgástérben. A továbbiakhoz szintet kell lépni.

A konkrét feladatspecifikáció:

„Töltsünk ki az ötöslottón 100 szelvényt úgy, hogy valamelyik szelvénnyel biztosan legyen két találatunk!” (Segítség: töltsünk ki 30 szelvényt úgy, hogy az 1-25 közötti számpárt lefedjék; 21 szelvényt úgy, hogy a 26-46 közötti összes számpárt lefedjék; 21 szelvényt úgy, hogy a 47-67 közötti összes számpárt lefedjék és 28 szelvényt úgy, hogy a 68-90 közötti összes számpárt lefedjék. Miért lesz így legalább két találatunk?)

A szintlépéshez hasznos ismerni két tankönyvet (Szilasi Zoltán: Bevezetés a véges geometriába, 2015; Reiman István: A geometria és határterületei, 2001) és egy tudományos cikket (Z. Füredi, G. J. Székely, Z. Zubor: On the Lottery Problem, 1995). További szükséges ismeretek (geometria, algebra, elemi matematika, kombinatorika): projektív geometria, véges projektív sík, Kirkman iskoláslány problémája, Fano-sík (mint algebrai és geometriai leképezés), Steiner-rendszer (ponthalmaz, amely elemszáma 6k+1 alakú prím), néhány konstruktív jellegű bizonyítás, skatulya-elv.

Az előadás a feladat megoldásához vezető útról szólt. Az eredmény előtti utolsó előtti lépés ezt jelenti (Java program konzolra kiírt szövege):

Végül ismertettem néhány lehetőséget az algoritmus vizsgálatára és az implementált Java forráskód tesztelésére.

Köszönöm Kupcsikné Fitus Ilona kolléganőnek, hogy a jubileumi Ratkó István emlékest szervezőjeként előadónak felkért. Örömmel csatlakoztam újra. A prezentációmat a résztvevőkkel megosztottam. Köszönöm az érdeklődő kollégáknak és hallgatóknak a részvételt és a pozitív visszajelzéseket. Az emlékestek programjai elérhetők. Ajánlom lottószelvény címkénket is, mert a téma igazi örökzöld.

Barátságos számpárok

számok

Azokat a számpárokat, amelyekre igaz, hogy az egyik szám önmagánál kisebb osztóinak összege megegyezik a másik számmal és fordítva, külön-külön barátságos számoknak, együtt barátságos számpárnak hívjuk.

Másképpen: legyen d(n) az n természetes szám önmagánál kisebb osztóinak összege. Ha d(a)=b és d(b)=a, ahol ab, akkor a és b barátságos számpár.

Például: (220; 284), hiszen a 220 önmagánál kisebb osztói: 1, 2, 4, 5, 10, 11, 20, 22, 44, 55, 110 és ezek összege 284, illetve 284 önmagánál kisebb osztói: 1, 2, 4, 71, 142 és ezek összege 220.

Írjunk Java programot, amely kiírja az 1-10000 zárt intervallumban található barátságos számpárokat!

1. megoldás

A baratsagosSzamparok1() eljárás ciklusai a brute force módszer szerint behelyesítik az összes lehetséges számot. Minimális lépésszám csökkentésre adódik lehetőség, hiszen a belső ciklus j változója i+1-ről indítható (így a megtalált számpárok nem íródnak ki fordítva is, mert teljesül, hogy i<j).

Az osztokOsszege1(n) függvény is minden lehetséges osztót figyelembe vesz 1-től n-1-ig.

2. megoldás

Kisebb módosításokkal a lépésszám csökkenthető. A baratsagosSzamparok2() eljárás külső ciklusánál figyelembe vettem, hogy a legkisebb barátságos számpár kisebb tagja nagyobb 200-nál. Mivel a barátságos számpárok tagjainak paritása mindig megegyezik (azaz mindkettő páros vagy mindkettő páratlan), így a belső ciklus j változója indítható i+2-ről és léptethető kettesével ( j+=2), és továbbra is teljesül, hogy i<j.

Az osztokOsszege2(n) függvényt is módosítottam. Mivel az 1 minden számnak osztója, illetve a 2 minden páros számnak osztója, így s lehet 3 vagy 1 és a ciklus indítható 3-ról. A páros számok esetén a számnál kisebb legnagyobb osztó maximum n/2 lehet, illetve ugyanez páratlan számok esetén n/3 lehet. Ezekre figyelve a max változó adja a ciklus léptetésének felső határát. Az i változó léptetésénél figyelembe vettem, hogy páratlan számnak csak páratlan osztói lehetnek ( i=3-mal szinkronban).

3. megoldás

Az eddigi két egymásba ágyazott ciklus helyett átszervezhető a baratsagosSzamparok3() eljárás. A j>i && osztokOsszege2(j)==i feltétel kiértékelése így sokkal hatékonyabb.

Vajon milyen nagyságrendű különbségek adódnak, ha összehasonlítjuk a három megoldás futási idejét?

Az 1. megoldás futási ideje 1104156 ms, a 2. megoldásé 257055 ms, a 3. megoldásé 121 ms. A konkrét értékek helyett a nagyságrendet megfigyelve a különbség nagyon látványos.

Mindhárom megoldás helyes és megkapjuk az intervallumban található öt barátságos számpárt: (220; 284), (1184; 1210), (2620; 2924), (5020; 5564), (6232; 6368).

A bejegyzéshez tartozó teljes – időméréssel kiegészített – forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

Források:

A feladat a Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam szakmai moduljának 9-12. óra: Metódusok, rekurzió alkalomhoz kötődik.

Hány éves a kapitány?

Hány éves a kapitány?

Hány éves a kapitány?A problémamegoldó, logikus gondolkodásra nevelő képzések anyagában, illetve felvételi feladatsorokban is sokszor megtalálható – többféle változatban is.

Lássunk egyet a népszerű „Hány éves a kapitány?” típusú feladatok közül!

Három elefántot kell berakodnunk – szólt a hajóskapitány az első tiszthez.
És hány évesek ezek az elefántok? – kérdezte az első tiszt.
Mindegyik elmúlt már két éves és életkoraik szorzata 2450 – volt a válasz.
Hát életkoraik összege?
Azt fölösleges elárulnom, mert abból még nem tudnád megállapítani életkorukat – mondta a kapitány, majd hozzátette: Az egyikük idősebb nálam.
Akkor már tudom, hogy hány évesek az elefántok – mondta az első tiszt.

Feltéve, hogy tényleg tudta; … hány éves a kapitány?

Hogyan használhatnánk a feladat megoldásához programozáshoz kötődő ismereteinket?

Állítsunk elő olyan három szorzótényezőt, amelyek szorzata 2450 és egyben írassuk ki az összegüket is a konzolra!

Az i, j, k a három elefánt életkorát jelöli. Mivel mindegyik elmúlt két éves (és feltételezzük, hogy életkoraik egész számmal kifejezhetők), így i=3-ról indul. Az elefántok lehetnek egyidősek, ezért j=i-ről és k=j-ről indul. Nincs kizárt életkor, így a változók léptethetők egyesével. Az i, j, k monoton növekvő sorozatot alkot, ezért a kiírásban nem lesznek olyan sorok, amelyek csupán a szorzótényezők sorrendjében térnek el. Durva felső becslés a 100, hiszen az elefántok általában 60-70 évig élnek. Eredményül ezt kapjuk:

Az eredményből milyen következtetés(eke)t lehet levonni és mi a megoldás?

Az egyszer előforduló összegeket ki kell zárni, mert abból az első tiszt tudná az elefántok életkorát. Többször előforduló összegként marad a 64. Tehát az elefántok lehetnek 5, 10, 49, illetve 7, 7, 50 évesek. Mivel a kapitánynál idősebb az egyik elefánt, így a kapitány nem lehet 48 éves vagy fiatalabb (mert ekkor nem lenne egyértelmű az életkora), illetve nem lehet 50 éves vagy idősebb (mert ekkor nem lenne nála idősebb elefánt). Tehát a kapitány 49 éves.

(Másképpen megközelítve: a 2450 prímtényezős felbontása 2*52*72, amiből ugyanezekre a következtetésekre juthatunk.)

A feladat további változatai

  • Egy hajó hosszának, az árbóc magasságának, a kapitány kisfia életkorának és a kapitány életkorának szorzata 303335. Hány éves a kapitány?
  • A kapitány most kétszer annyi idős, mint a hajója volt akkor, amikor a kapitány kétszer volt annyi idős, mint most a hajója. A kapitány és a hajója összesen 70 éves. Hány éves a kapitány?
  • A Fekete Kalóz néven elhíresült kalózkapitány egyik sikeres kalandja után kiszámíttatta saját maga és kisfia életkorának, valamint hajója hosszának a szorzatát. Az eredmény 26 159 lett, amelyet mint szerencseszámot egy medálra vésetett és mindig a nyakában hordott. Hány éves a kapitány? (A hajóhosszt méterekben mérték, és a mérőszám egész szám!)
  • Te vezeted az utasszállító repülőt. Budapesten felszáll 11 utas. Bécsben leszáll 5 és felszáll 9. Párizsban 1 kivételével mindenki leszáll. Hány éves a kapitány?
  • A kapitány hajója most 40 éves. Kétszer annyi idős, mint amennyi a kapitány volt akkor, amikor a hajó annyi idős volt, mint a kapitány most. Hány éves a kapitány?

A bejegyzéshez tartozó forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

Ajánlott irodalom

Aki kedvet kapott és beszerezne néhány könyvet – tele érdekes, gondolkodtató, kreatív, logikai feladatokkal – ajánlom az alábbiakat:

  • Katona, R. (szerk): Logikai egypercesek – az elme játékai, 2. kiadás, DFT-Hungária Könyvkiadó, Budapest, 2006, ISBN 963 9473 55 3
  • Róka, S.: 2×2 néha 5? – Paradoxonok, hibás bizonyítások, Tóth Könyvkereskedés és Kiadó Kft., Debrecen, 2008, ISBN 963 5965 24 3
  • Károlyi, Zs.: Csak logIQsan!, 2. javított kiadás, Typotex Elektronikus Kiadó Kft., Budapest, 2017, ISBN 963 279 693 5
  • Róka, S.: Egypercesek – Feladatok matematikából 14-18 éveseknek, Tóth Könyvkereskedés Kft., Debrecen, 1997
  • G. Nagy, L.: A világ legújabb logikai rejtvényei, Magyar Könyvklub, H. n., 2001, ISBN 963 547 512 8

Haladóknak ajánlom:

  • Smullyan, R.: A hölgy vagy a tigris? – és egyéb logikai feladatok, 2. javított kiadás, Typotex Kiadó Kft., Budapest, 2002, ISBN 963 7546 63 4
  • Smullyan, R.: Mi a címe ennek a könyvnek? – Drakula rejtélye és más logikai feladványok, Typotex Elektronikus Kiadó Kft., Budapest, 1996, ISBN 963 7546 64 2
  • Shasha, D.: Dr. Ecco talányos kalandjai, Typotex Kiadó – SHL Hungary Kft., 2000, ISBN 963 9132 72 1

A feladat a Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam szakmai moduljának 5-8. óra: Vezérlési szerkezetek alkalmához kötődik.

Digitális Témahét 2017

A Digitális Témahét 2015-ben indult országos rendezvénysorozat. Fő célja a digitális pedagógia módszertanának népszerűsítése és elterjesztése. A program fontos törekvése, hogy a digitáliskompetencia-fejlesztés az informatikán túl kiterjedjen más tantárgyakra is. A résztvevő pedagógusok és diákok változatos és kreatív iskolai projektek keretében fejleszthetik képességeiket technológiával támogatott tanulás során. A Digitális Témahét rendezvény minden meghirdetett programja ingyenes.

A 2016/2017-es tanévben a rendezvény április 3-7. között valósult meg. Kiemelt témakörök/szempontok:

  • a multidiszciplináris megközelítés: a matematika, a természet- és mérnöki tudományok, valamint a művészet- és társadalomtudományok együttes megjelenítése;
  • a tanítás eszközkészletének és módszereinek megújítása;
  • a pedagógiai innováció, a digitális pedagógia ösztönzése;
  • az informatikai pályaorientáció.

Meghirdetett eseményünk

2017-ben egy eseményt hirdettem meg Digitális Témahét 2017 rendezvényen.
Helyszín: 1056 Budapest, Váci utca 47., 3. emelet 309-es terem, megközelítés
Dátum és időpont: 2017. április 7. 18:00-21:00-ig
Az esemény ingyenes volt, de a részvétel előzetes regisztrációhoz kötött.

A három órás laborgyakorlat a Brit érmék projektfeladat (forrás: Project Euler #31 Coin sums) megtervezését, négyféle megoldását és tesztelését foglalta magába.

Bevezetés:

  • Az Egyesült Királyságban 8-féle érme van forgalomban.
  • Ezek a következők (pound (£) és pence (p)): 1p, 2p, 5p, 10p, 20p, 50p, £1 (100p), és £2 (200p).
  • £2-ot például így lehet kifizetni: 1×£1 + 1×50p + 2×20p + 1×5p + 1×2p + 3×1p.
  • Hányféleképpen lehet kifizetni £2-ot úgy, hogy bármilyen érméből bármennyit felhasználhatunk?
  • A válasz: 73682.

A választ tartalmazó fájl letölthető: it-tanfolyam.hu-brit-ermek-megoldas-eredmeny.zip (377 kB, kicsomagolva 4,2 MB).

Feladatok Java nyelven: készíteni kell négy Java programot, amelyik listázza a lehetséges eseteket a konzolra a példa szerinti formátumban!

  • Az első iteratív megoldás brute force megoldást tartalmazzon! Ez 1473155834 lépésben fog véget érni.
  • A második iteratív megoldás próbálja csökkenteni a lépésszámot! A cél 3000000 alá eljutni, például: 2886726.
  • A harmadik megoldás rekurzív legyen!
  • A negyedik megoldás objektumorientált legyen!

A fokozatosság elvét betartva, sok-sok előismeretre volt szükség a feladatok megoldásához. A két legizgalmasabb rész a hatékonyság szempontjaihoz és a rekurzív megközelítéshez kötődött. Sok-sok kérdés hangzott el. Az i-edik megoldás direkt előállítása (a teljes sorozatból való kiválasztás nélkül) is felmerült. Köszönöm mindenkinek, aki részt vett rendezvényünkön.

A laborgyakorlaton készült forráskódokat tanfolyamaink hallgatói számára – a témához kapcsolódó témakörökhöz, ILIAS-ra feltöltve – tesszük elérhetővé.