Nemzetközi Pi nap

Pi logó

Pi logóA Pi-t (π) mindenki ismeri. Talán sokaknak kedvenc története is van a π-vel kapcsolatosan, amelyet iskolában vagy utazásai alatt szerzett. A π Euklidesz geometriájában a kör kerületének és átmérőjének arányát jelöli. A π irracionális szám, azaz végtelen, nem szakaszos tizedestört; másképpen számjegyei között nincs ismétlődés. A π értékével a hétköznapokban 3,14-dal szokás számolni, de a tudomány területén ennél sokkal pontosabb közelítést szokás alkalmazni. A π közelítése az informatikának köszönhetően akár több millió tizedesjegyig is lehetséges (például: S. Memphill: Pi to 1,000,000 places).

A nemzetközi Pi nap alkalmából (március 14) megvalósítottunk néhány – végtelen összeggel és szorzattal – π közelítésre való képletet, algoritmust Java nyelven.

1. Viète-féle sor

Pi-kozelites-Viete

A módszer néhány eredménye: i=5  esetén 3.140331156954752  (2 tizedesjegyre pontos), i=10 -nél 3.1415914215112  (5 tizedesjegyre pontos), i=11  esetén 3.1415923455701176  (6 tizedesjegyre pontos).

2. Leibniz-féle sor

Pi-kozelites-Leibniz

A módszer néhány eredménye: a 24. lépéstől stabil 1 tizedesjegyre, a 626. lépéstől stabil 2. tizedesjegyre, a 2453. lépéstől stabil 3 tizedesjegyre (hiszen alternál).

3. Wallis-formula

Pi-kozelites-Wallis

A módszer néhány eredménye: A 38. lépéstől 1, a 986. lépéstől 2, a 2650. lépéstől 3, a 16954. lépéstől már 4 tizedesjegyre pontos.

4. Csebisev-sor

Pi-kozelites-Csebisev

A módszer k=10 -re már 8 tizedesjegyig pontos.

A bejegyzéshez tartozó teljes forráskódot – további 8 közelítő módszer implementációjával együtt – ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

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

Egy matematika érettségi feladat megoldása programozással 2017

érettségi logó

érettségi logóA 2017-es középszintű matematika érettségi feladatsor 12. feladata inspirált egy Java program megírására. Szükséges hozzá néhány programozási tétel: sorozatszámítás, megszámolás, valamint adatszerkezetként ideális egy kétdimenziós tömb. 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.

12. feladat

Egy kockával kétszer egymás után dobunk. Adja meg annak a valószínűségét, hogy a két dobott szám összege 7 lesz! Válaszát indokolja!

Matematikai megoldás

A feladat nagyon egyszerű. Két megoldást ismertet a javítási-értékelési útmutató:

  • Összesen 6 * 6 = 36-féleképpen dobhatunk. Hat olyan dobáspár van, amelyben 7 az összeg: (1; 6), (2; 5), (3; 4), (4; 3), (5; 2) és (6; 1). A keresett valószínűség 6/36-od, vagyis egyhatod.
  • Bármennyit is dobunk elsőre, ezt a második dobás egyféleképpen egészítheti ki 7-re. Így a második dobásnál a hat lehetséges értékből egy lesz számunkra kedvező. A keresett valószínűség egyhatod.

Közelítő megoldások szimulációval

Egy alkalom két kockadobást jelent egymás után. A dobások sorrendje nem számít (alkalmanként és összességében sem). Minél több alkalommal végezzük el a kockadobásokat, annál jobban megközelítjük a fenti valószínűséget (várható értéket, bővebben: nagy számok törvénye). Az egyhatod közelítő értéke a Java double adattípusával 0.16666666666666666.

1. megoldás

Ha nem akarunk emlékezni a dobásokra, összegükre, csupán megszámolnánk, hogy hány olyan dobáspár van, amelyben 7 az összeg, akkor ehhez mindössze egy számláló ciklus kell, aminek a ciklusmagjában két véletlen kockadobás összegét előállítjuk és növelünk egy számlálót/gyűjtőt, ha az éppen 7. Az eredményt a számláló és a ciklus lépésszámának hányadosa adja meg. Például meghívhatjuk a metódust így: kockadobas1(5000); és kaphatjuk eredményül ezt: 5000 alkalomból 7 összegként 836 alkalommal fordult elő. Valószínűség: 0.1672 . A metódus kivételt dob, ha értelmetlen a paramétere. Íme a metódus Java forráskódja:

2. megoldás

Ha egy 13 elemű egész típusú tömböt használhatunk emlékezetként. Kezdetben 2-től 12-ig indexelve nullázzuk ki, így csoportos gyűjtést tudunk megvalósítani. A nullázás most inicializáló blokkal történt, mert nem sok eleme van a tömbnek (sok elemnél inkább használjunk erre ciklust). A tömb első két elemét nem használjuk semmire. Mi történik a ciklusban? Például dobas1=3 és dobas2=4 esetén a dobasDbTomb[7] elemét növeli (mindegy mi volt ott korábban, de inkrementálódjon). Most több adatot tárolunk, mint amiből megválaszolható a feladatban megfogalmazott konkrét kérdés, de ezt tekinthetjük strukturális tartaléknak.

Hasonló, egydimenziós tömbbel történő belső adattárolást megvalósító elosztott alkalmazásról blogoltunk már: Kockadobás kliens-szerver alkalmazás.

3. megoldás

Ez az igazi szimuláció, swing GUI grafikus környezetben, ahogyan az alábbi képernyőképen látható. A megvalósítás kétdimenziós tömböt használ adatszerkezetként. Álljon 7 sorból és 7 oszlopból és legyen i a sor- és j az oszlopindex. A tömb [0][0]-dik elemét nem használjuk semmire. Az első oszlopába ( j=0 és i>0) bekerülhetnek a dobókockán előforduló számok 1-től 6-ig. Hasonlóan az első sorba ( i=0 és j>0) is. Ezek a dobott számok alapján indexek lesznek és az ábrán zöld hátterű cellákba kerültek. A tömb többi eleme kezdetben 0 (nulla), ezek az ábrán fehér hátterű cellák. A szürke hátterű cellák (mellékátló) esetén a dobott számok összege 7 és jól látszik, hogy ez hatféleképpen fordulhat elő a 36-féle eset közül. Például a 2. sor 5. oszlopában lévő szám mutatja, hogy a 10000 alkalomból 274-szer fordult elő az, hogy a dobáspár a (2; 5) lett. A tömb két indexe felcserélhető lenne, mert ez a mellékátlóban lévő számok összegét nem befolyásolja.

Kockadobás program képernyőkép

A programban kiválasztható néhány alkalomból amit szeretnénk, és a Dob nyomógombra kattintva indul el időzítővel a folyamat. Várakoztatás/menet közben piros színnel kiemelve látszik/megfigyelhető, hogy az éppen aktuális dobás hol növeli az értéket/előfordulást/darabszámot. A képernyőképen befejeződött állapot látható. Az eredményt a szürke cellákban lévő számok összegének és az alkalmak számának hányadosa adja meg. Ezt a háttérbeli kétdimenziós tömbben összesítéssel az alábbi Java forráskód-részlet adja meg:

Most lényegesen több adatot tárolunk, mint ami a konkrét válaszhoz kell, de cserébe jól érzékeltethető a csoportos gyűjtés/megszámolás működése. A program grafikus felhasználói felületének felépítését és az eseménykezelés megvalósítását most nem részletezzük.

Eszünkbe juthatna, hogy a program miért dob kétszer 1 és 6 közötti számot egymás után és ezt összegzi, amikor egyetlen 2 és 12 közötti dobással (véletlenszám generálással) megkaphatnánk a dobáspár összegét. Hiszen két db 1 és 6 közötti szám összege mindig 2 és 12 közötti szám. Jó lenne ez az ötlet/megvalósítás? Igen? Nem? Miért? A hozzászólásokhoz várjuk az indoklást.

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

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

A feladat a Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam szakmai moduljának 17-28. óra: Objektumorientált programozás alkalmaira épülő 29-36. óra: Grafikus felhasználói felület alkalmaihoz kötődik.