basic a2

.gitignore

@@ -1,7 +1,7 @@
 # ---> Rust
 # Generated by Cargo
 # will have compiled files and executables
-/target/
+target/
 
 # Remove Cargo.lock from gitignore if creating an executable, leave it for libraries
 # More information here https://doc.rust-lang.org/cargo/guide/cargo-toml-vs-cargo-lock.html
@@ -11,3 +11,9 @@ Cargo.lock
 **/*.rs.bk
 
 beispieldaten/
+
+# LaTex
+*.aux
+*.log
+*.pdf
+*.toc

Aufgabe2-Rechenrätsel/Cargo.toml

@@ -0,0 +1,13 @@
+[package]
+name = "rechenrätsel"
+version = "0.1.0"
+edition = "2021"
+
+# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html
+
+[dependencies]
+clap = { version = "3.0.10", features = ["derive"] }
+num-derive = "0.3.3"
+num-integer = "0.1.44"
+num-traits = "0.2.14"
+rand = "0.8.4"

Aufgabe2-Rechenrätsel/doc.tex

@@ -0,0 +1,119 @@
+\documentclass[a4paper,10pt,ngerman]{scrartcl}
+\usepackage{babel}
+\usepackage[T1]{fontenc}
+\usepackage[utf8x]{inputenc}
+\usepackage[a4paper,margin=2.5cm,footskip=0.5cm]{geometry}
+
+% Die nächsten drei Felder bitte anpassen:
+\newcommand{\Aufgabe}{Aufgabe 2: Rechenrätsel} % Aufgabennummer und Aufgabennamen angeben
+\newcommand{\TeilnahmeId}{60813}                  % Teilnahme-ID angeben
+\newcommand{\Name}{Marcel Zinkel}             % Name des Bearbeiter / der Bearbeiterin dieser Aufgabe angeben
+
+
+% Kopf- und Fußzeilen
+\usepackage{scrlayer-scrpage, lastpage}
+\setkomafont{pageheadfoot}{\large\textrm}
+\lohead{\Aufgabe}
+\rohead{Teilnahme-ID: \TeilnahmeId}
+\cfoot*{\thepage{}/\pageref{LastPage}}
+
+% Position des Titels
+\usepackage{titling}
+\setlength{\droptitle}{-1.0cm}
+
+% Für mathematische Befehle und Symbole
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage{amssymb}
+
+% Für Bilder
+\usepackage{graphicx}
+
+% Für Algorithmen
+\usepackage{algpseudocode}
+
+% Für Quelltext
+\usepackage{listings}
+\usepackage{color}
+\definecolor{mygreen}{rgb}{0,0.6,0}
+\definecolor{mygray}{rgb}{0.5,0.5,0.5}
+\definecolor{mymauve}{rgb}{0.58,0,0.82}
+\lstset{
+  keywordstyle=\color{blue},commentstyle=\color{mygreen},
+  stringstyle=\color{mymauve},rulecolor=\color{black},
+  basicstyle=\footnotesize\ttfamily,numberstyle=\tiny\color{mygray},
+  captionpos=b, % sets the caption-position to bottom
+  keepspaces=true, % keeps spaces in text
+  numbers=left, numbersep=5pt, showspaces=false,showstringspaces=true,
+  showtabs=false, stepnumber=2, tabsize=2, title=\lstname
+}
+\lstdefinelanguage{JavaScript}{ % JavaScript ist als einzige Sprache noch nicht vordefiniert
+  keywords={break, case, catch, continue, debugger, default, delete, do, else, finally, for, function, if, in, instanceof, new, return, switch, this, throw, try, typeof, var, void, while, with},
+  morecomment=[l]{//},
+  morecomment=[s]{/*}{*/},
+  morestring=[b]',
+  morestring=[b]",
+  sensitive=true
+}
+
+% Anführungszeichen
+\usepackage{csquotes}
+
+% Diese beiden Pakete müssen zuletzt geladen werden
+%\usepackage{hyperref} % Anklickbare Links im Dokument
+\usepackage{cleveref}
+
+% Daten für die Titelseite
+\title{\textbf{\Huge\Aufgabe}}
+\author{\LARGE Teilnahme-ID: \LARGE \TeilnahmeId \\\\
+	    \LARGE Bearbeiter/-in dieser Aufgabe: \\ 
+	    \LARGE \Name\\\\}
+\date{\LARGE\today}
+
+\begin{document}
+
+\maketitle
+\tableofcontents
+
+\vspace{0.5cm}
+
+\section{Lösungsidee}
+Die Aufgabenstellung gibt nicht vor wie ein Rätsel, das \enquote{interessant und
+unterschiedlich} ist, zu sein hat. Damit das Rätsel interessant ist habe ich mir
+folgende Regeln überlegt:
+\begin{enumerate}
+	\item Bei $n$ Operatoren muss für $m_i$, die Anzahl, mit der jeder der
+		vier Operatoren vorkommt, gelten:
+		\begin{align}
+			\frac{n}{10} - 1 < m_i \leq \frac{n}{3} + 1
+		\end{align}
+	\item Bei $n$ Ziffern muss für $m_i$, die Anzahl, mit der jede der neun
+		Ziffern vorkommt, gelten:
+		\begin{align}
+			\frac{n}{16} - 1 < m_i \leq \frac{n}{4} + 1
+		\end{align}
+\end{enumerate}
+
+Der Beweis, ob ein Rechenrätsel eindeutig lösbar ist, ist ein
+Entscheidungsproblem mit NP-Schwere. Eine Lösung ist die Ziffern zufällig zu
+wählen und alle möglichen Kombinationen von Operatoren auszuprobieren. Kommt ein
+Ergebnis nur einmal vor, wurde ein eindeutiges Rätsel gefunden, was in der Regel
+der Fall sein sollte. Solch eine Brute-Force Operation dauert allerdings bei
+viele Operatoren exponentiell länger. Die Anzahl der Möglichkeiten $|\Omega|$
+kann in Abhängigkeit von der Operatorenanzahl $n$ berechnet werden:
+$|\Omega|=4^{n}$. Das Programm sollte Rätsel mit mindestens 15 Operatoren
+erstellen können, da dies in der Aufgabenstellung als Richtwert angegeben wird.
+Für $n=15$ gilt $|\Omega|=4^{15}=1073741824\approx10^{6}$. So viele
+Möglichkeiten können noch mit einer guten Laufzeit berechnet werden.
+
+\section{Umsetzung}
+Hier wird kurz erläutert, wie die Lösungsidee im Programm tatsächlich umgesetzt wurde. Hier können auch Implementierungsdetails erwähnt werden.
+
+\section{Beispiele}
+Genügend Beispiele einbinden! Die Beispiele von der BwInf-Webseite sollten hier diskutiert werden, aber auch eigene Beispiele sind sehr gut – besonders wenn sie Spezialfälle abdecken. Aber bitte nicht 30 Seiten Programmausgabe hier einfügen!
+
+\section{Quellcode}
+Unwichtige Teile des Programms sollen hier nicht abgedruckt werden. Dieser Teil sollte nicht mehr als 2–3 Seiten umfassen, maximal 10.
+
+
+
+\end{document}

Aufgabe2-Rechenrätsel/src/main.rs

@@ -0,0 +1,222 @@
+use clap::Parser;
+use std::collections::HashSet;
+use std::collections::HashMap;
+use rand::distributions::{Distribution, Uniform};
+use num_derive::FromPrimitive;
+use num_traits::FromPrimitive;
+
+#[derive(FromPrimitive)]
+enum Operator {
+    Add,
+    Subtract,
+    Multiplicate,
+    Divide,
+}
+
+#[derive(FromPrimitive, PartialEq, Clone, Copy)]
+enum AddSubOrMultiplicateDivide {
+    AddSub,
+    MultiplicateDivide,
+}
+
+#[derive(Parser)]
+#[clap(author, version, about, long_about = None)]
+struct Args {
+    /// maximale Anzahl der auszugebenden Lösungen
+    #[clap(short, long, default_value_t = 1)]
+    maximum: usize,
+
+    /// Anzahl der Operatoren
+    #[clap(short, long, default_value_t = 5)]
+    count: u8,
+
+    /// zeigt die Lösung an
+    #[clap(short, long, takes_value = false)]
+    solution_print: bool,
+}
+
+type RiddleMap = HashMap<i64, u64>;
+
+struct PartOperation {
+    results: RiddleMap,
+    last_operator: Option<usize>,
+}
+
+struct ResultStore {
+    riddles: RiddleMap,
+    results_already_taken: HashSet<i64>,
+}
+
+impl ResultStore {
+    fn new() -> Self {
+        Self{
+            riddles: HashMap::new(),
+            results_already_taken: HashSet::new(),
+        }
+    }
+    fn store(&mut self, result: i64, operators: u64) {
+        if self.results_already_taken.contains(&result) {return;}
+        match self.riddles.remove(&result) {
+            None => {self.riddles.insert(result, operators);}
+            Some(_x) => {self.results_already_taken.insert(result);}
+        }
+    }
+}
+
+
+fn main() {
+    let args = Args::parse();
+    let mut digits: Vec<u8> = vec!(0; (args.count + 1) as usize);
+    {
+        let mut selectable_digits: Vec<u8> = Vec::from_iter(0..9);
+        let mut digits_count: [u8; 9] = [0; 9];
+        let min: u8 = digits.len() as u8 / 16;
+        let max: u8 = digits.len() as u8 / 4 + 1;
+        let mut left_for_non_min: u8 = digits.len() as u8 - 9 * min;
+        let mut digits_min_statisfied: HashSet<u8> = HashSet::with_capacity(9);
+        for digit in digits.iter_mut() {
+            if left_for_non_min == 0 {
+                selectable_digits.retain(|x| !digits_min_statisfied.contains(x));
+            }
+            let rand_i = Uniform::new(0, selectable_digits.len()).sample(&mut rand::thread_rng());
+            let rand_number = selectable_digits[rand_i];
+            digits_count[rand_number as usize] += 1;
+            let digit_used = digits_count[rand_number as usize];
+            if digit_used == min {
+                if left_for_non_min == 0 {
+                    selectable_digits.remove(rand_i);
+                } else {digits_min_statisfied.insert(rand_number);}
+            }
+            if digit_used > min {left_for_non_min -= 1;}
+            if digit_used == max {selectable_digits.remove(rand_i);}
+            *digit = rand_number + 1;
+        }
+    }
+    {
+        let mut results = ResultStore::new();
+        for dm_as_map in 0..2u64.pow(args.count as u32) {
+            let mut results_multiplicate: Vec<PartOperation> = Vec::new();
+            {
+                let mut last_i: usize = 0;
+                let mut i: usize;
+                let mut state: AddSubOrMultiplicateDivide = FromPrimitive::from_u64(dm_as_map & 1).unwrap();
+                while last_i < args.count as usize {
+                    i = last_i;
+                    while i < args.count as usize && dm_as_map >> i & 1 == state as u64 {
+                        if state == AddSubOrMultiplicateDivide::AddSub {
+                            results_multiplicate.push(insert_digit(&digits, i));
+                        }
+                        i += 1;
+                    }
+                    if state == AddSubOrMultiplicateDivide::MultiplicateDivide {
+                        let mut part_results = ResultStore::new();
+                        i += 1;
+                        let mut digits_calc = digits[last_i .. i].iter();
+                        let first_digit = *digits_calc.next().unwrap() as i64;
+                        calc_part(digits_calc, &mut part_results, last_i as u8 * 2, first_digit, 0);
+                        results_multiplicate.push(PartOperation{
+                            results: part_results.riddles,
+                            last_operator: last_operator_helper(last_i),
+                        });
+                    }
+                    state = match state {
+                        AddSubOrMultiplicateDivide::MultiplicateDivide => AddSubOrMultiplicateDivide::AddSub,
+                        AddSubOrMultiplicateDivide::AddSub => AddSubOrMultiplicateDivide::MultiplicateDivide,
+                    };
+                    last_i = i;
+                }
+                if dm_as_map >> args.count - 1 & 1 == AddSubOrMultiplicateDivide::AddSub as u64 {
+                    results_multiplicate.push(insert_digit(&digits, digits.len() - 1));
+                }
+                {
+                    let mut iter = results_multiplicate.iter();
+                    for (part_result, operators) in &iter.next().unwrap().results {
+                        add_sub(iter.clone(), &mut results, *part_result, *operators);
+                    }
+                }
+            }
+        }
+        let mut not_first = false;
+        for (result, operators) in results.riddles {
+            if not_first {println!();}
+            not_first = true;
+            print_riddle(&digits, false, result, operators);
+            if args.solution_print {
+                print_riddle(&digits, true, result, operators);
+            }
+        }
+    }
+}
+
+fn calc_part<'a>(mut iter: impl Clone + Iterator<Item = &'a u8>, results: &mut ResultStore, operator_index: u8, part_result: i64, operators: u64) {
+    match iter.next() {
+        None => results.store(part_result, operators),
+        Some(next) => {
+            let next_digit = *next as i64;
+            for operator in [Operator::Multiplicate, Operator::Divide] {
+                calc_part(iter.clone(), results, operator_index + 2,
+                    match operator {
+                        Operator::Multiplicate => part_result * next_digit,
+                        Operator::Divide => {
+                            if part_result % next_digit != 0 {continue;}
+                            part_result / next_digit
+                        }
+                        _ => 0,
+                    },
+                    operators | (operator as u64) << operator_index);
+            }
+        }
+    }
+}
+
+fn add_sub<'a>(mut iter: impl Clone + Iterator<Item = &'a PartOperation>, results: &mut ResultStore, part_result: i64, operators: u64) {
+    match iter.next() {
+        None => {
+            if part_result > 0 {results.store(part_result, operators);}
+        }
+        Some(next) => {
+            for (next_result, part_operators) in &next.results {
+                for operator in [Operator::Add, Operator::Subtract] {
+                    add_sub(iter.clone(), results,
+                        match operator {
+                            Operator::Add => part_result + next_result,
+                            Operator::Subtract => part_result - next_result,
+                            _ => 0,
+                        },
+                        operators | part_operators | (operator as u64) << 2 * next.last_operator.unwrap()
+                    );
+                }
+            }
+        }
+    }
+}
+
+fn last_operator_helper(index: usize) -> Option<usize> {
+    if index == 0 {None} else {Some(index as usize - 1)}
+}
+
+fn insert_digit(digits: &Vec<u8>, i: usize) -> PartOperation {
+    let mut result_map = RiddleMap::new();
+    result_map.insert(digits[i] as i64, 0);
+    return PartOperation{
+        results: result_map,
+        last_operator: last_operator_helper(i),
+    };
+}
+
+fn print_riddle(digits: &Vec<u8>, show_solution: bool, result: i64, operators: u64) {
+    print!("{}: ", if show_solution {"Lösung"} else {"Rätsel"});
+    let mut i = 0;
+    for digit in digits[.. digits.len() - 1].iter() {
+        print!("{} {} ", digit, if show_solution {
+            match FromPrimitive::from_u64(operators >> i & 3).unwrap() {
+                Operator::Multiplicate => '*',
+                Operator::Divide => ':',
+                Operator::Add => '+',
+                Operator::Subtract => '-',
+            }
+        } else {'○'});
+        i += 2;
+    }
+    println!("{} = {}", digits.last().unwrap(), result);
+}