Clasa a V-a lecția 41 - 21 mai 2013

Tema - verificare

Am discutat despre soluția problemei numere2.

Rezolvare aici [1]

Lecție

Ciurul lui Eratostene

Eratostene a fost un matematician, geograf, poet, astronom și muzician grec. El a trăit între anii 276 și 195 î.Hr. El a inventat cuvîntul "geografie" în greacă, a inventat un sistem de latitudine și longitudine. A fost primul om care a calculat circumferința pămîntului, a calculat înclinația axei de rotație a pămîntului, a creat conceptul de an bisect, și zi bisectă. Tot el a creat prima hartă a lumii, incluzînd paralele și meridiane.

Eratostene a inventat un algoritm foarte eficient de calcul al tuturor numerelor prime pînă la un număr dat. Acest algoritm se studiază la matematică. El procedează astfel:

1. Creează o listă a întregilor consecutivi de la 2 la n: [2, 3, 4, ..., n].
2. Caută primul număr netăiat din listă (inițial nici un număr nu e tăiat). Fie p acel număr.
3. Mergi din p în p prin listă, începînd cu 2*p și taie toate numerele întîlnite (unele vor fi deja tăiate)
4. Reia de la pasul 2, pînă ce depășim n.

În final numerele rămase netăiate sînt prime.

Cum implementăm acest algoritm, care la origine se executa manual, cu hîrtie și creion? Pentru a simula tăierea numerelor vom folosi un vector de frecvență, ciur, care pentru fiecare număr între 2 și n ne va spune dacă este tăiat sau nu. Inițial vectorul ciur va fi inițializat cu zero, care semnifică că toate numerele sînt prime, iar pe măsură ce tăiem numere, ele vor fi marcate cu unu. În final ciur[x] va fi zero dacă numărul este prim, sau unu în caz contrar. Deoarece elementele lui ciur sînt zero sau unu nu are rost să folosim întregi pentru ele, ci vom folosi caractere, văzute ca numere mici. Să ne reamintim că un caracter ocupă un octet (opt biți), pe cînd un întreg ocupă 4 octeți (32 de biți). Astfel, memoria folosită va fi de patru ori mai mică. (Vom vedea, în viitor, că memoria se poate reduce în continuare dacă ținem doar un bit pe element.)

Iată implementarea acestei idei. Programul următor calculează vectorul ciur pentru numerele pînă la n, cu n maxim două milioane:

char ciur[2000000];
...
fscanf( fin, "%d", &n );
for ( d = 2; d < n; d++ )
  if ( ciur[d] == 0 ) // daca d este prim
    for ( i = d + d; i <= n; i = i + d ) // vom marca numerele din d in d
      ciur[i] = 1;

Programul e poate optimiza dacă facem următoarele observații:

1. În a doua buclă for variabila i ia valorile 2∙d, 3∙d, 4∙d, ..., k∙d. Pentru k < d toate valorile de forma k∙d au fost deja tăiate de valorile k anterioare, drept pentru care nu are rost să le mai parcurgem. Putem să pornim cu i de la d∙d.
2. Conform observației anterioare i pornește de la d∙d. De aceea nu are rost să mergem cu d mai departe de sqrt(n), deoarece nu vom mai găsi i astfel încît i ≤ n.

Iată implementarea optimizată, bazată pe aceste două observații:

char ciur[2000000];
...
fscanf( fin, "%d", &n );
for ( d = 2; d * d <= n; d++ )
  if ( ciur[d] == 0 ) // daca d este prim
    for ( i = d * d; i <= n; i = i + d ) // vom marca numerele din d in d
      ciur[i] = 1;

În continuare vom vedea rezolvări ale unor probleme clasice cu vectori.

Exerciții cu vectori

Căutare în vector

Se dă un vector v de n elemente și un extra element e. Să se găsească poziția p în v unde apare prima oară elementul e. Dacă elementul e nu apare p va avea valoarea n. O soluție elegantă care nu iese forțat din buclă și care nu folosește stegulețe este:

// avem vectorul v de n elemente si o valoare e de gasit in acest vector
p = 0;
while ( p < n && v[p] != e )
  p++;
// acum p este fie pozitia primei aparitii a lui e, fie n daca e nu exista in v

Inserare în vector

Se dă un vector v de n elemente, un extra element e și o poziție p. Să se insereze elementul e la poziția p. În final elementul e va fi pe poziția p în vector, iar elementele de la poziția p pînă la final vor fi deplasate spre final cu o poziție. Vom considera că p este o poziție validă, între 0 și n.

// avem vectorul v de n elemente si o valoare e de inserat la poziția p
for ( i = n - 1; i >= p; i-- ) // deplasăm elementele spre dreapta
  v[i+1] = v[i];
v[p] = e;
n++; // vectorul are acum n+1 elemente!

Ștergere din vector

Se dă un vector v de n elemente și o poziție p. Să se elimine elementul de la poziția p din vector. Elementele de la poziția p pînă la final se vor deplasa către începutul vectorului cu o poziție.

// avem vectorul v de n elemente si o poziție p ce trebuie eliminata
for ( i = p + 1; i < n; i++ ) // deplasam elementele spre stinga
  v[i-1] = v[i];
n--; // vectorul are acum n-1 elemente!

Răsturnare vector

Se dă un vector v de n elemente. Inversați poziția elementelor în vector. Avem mai multe soluții posibile, una foarte simplă este să folosim doi indici, unul care crește și unul care descrește. Vom interschimba elementele celor doi indici. Vom repeta acest lucru pînă ce indicii se întîlnesc.

// avem vectorul v de n elemente, vrem sa il rasturnam
i = 0;
j = n – 1;
while ( i < j ) {
  aux = v[i];
  v[i] = v[j];
  v[j] = aux;
  i++;
  j--;
}

Rotire vector

Se dă un vector v de n elemente. Să se rotească vectorul cu o poziție către început cu o poziție. De exemplu [1, 6, 2, 7, 4, 3, 2] se va transforma în [6, 2, 7, 4, 3, 2, 1].

// avem vectorul v de n elemente, vrem sa il rotim la stinga cu o pozitie
aux = v[0];
for ( i = 1; i < n; i++ )
  v[i-1] = v[i];
v[n-1] = aux;

Mutare zerouri la coadă

Se dă un vector v de n elemente. Să se modifice ordinea elementelor în vector astfel încît toate elementele zero să fie la coada vectorului. Celelalte elemente nu trebuie să își păstreze ordinea originală (pot fi în orice ordine). O soluție posibilă este să mergem cu doi indici, unul crescător și unul descrescător. Cel crescător avansează pînă ce găsește un zero. Apoi interschimbă cu celălalt indice, pe care îl scade.

// avem vectorul v de n elemente, vrem sa mutăm zerourile la coada
i = 0;
j = n – 1;
while ( i < j ) {
  if ( v[i] == 0 ) { // daca avem un zero pe pozitia i
    v[i] = v[j];     // il trecem la coada, interschimbind cu pozitia j
    v[j] = 0;
    j--;             // deoarece pe pozitia j avem un zero, putem sa scadem j
  } else
    i++;             // daca avem nonzero pe pozitia i putem avansa i
}

Există și soluții mai eficiente pe care nu le vom discuta aici.

Comparație vectori

Dați doi vectori de caractere să se spună care este ordinea lor lexicografică. Cu alte cuvinte, ordinea în care vor apărea cele două cuvinte în dicționar.

Rămîne ca temă.

Rotire multiplă de vector *

Se dă un vector v de n elemente și un număr k. Să se rotească vectorul cu o poziție către început cu k poziții. De exemplu, pentru k=3 [1, 6, 2, 7, 4, 3, 2] se va transforma în [7, 4, 3, 2, 1, 6, 2].

Rămîne ca temă pentru cei dornici să se lupte cu o problemă grea.

Temă

Rezolvați următoarele probleme:

• Compus la vianuarena, ca exercițiu cu vectori.
• Prime (încercați să o rezolvați înainte de concursul de la palat, pentru a învăța ciurul lui Eratostene)
• Comparația a doi vectori: dați doi vectori, v de lungime m și w de lungime n să se spună dacă v este mai mic, egal, sau mai mare decît w.
• Grea, opțional: rotk (rotație multiplă vector fără a face rotații repetate cu unu).