Песни о Паскале

Глава 38 Множества в «бою»

Множества, множества… – заполучив столь острое оружие, удержимся ли не пустить его в ход? Вот ещё несколько задач, – мы изрубим их в капусту!

Прежде всего, отдадим долги Семену Семеновичу. Мы обещали директору выявить разгильдяев, что отлынивают от кружков, и сдержали слово. Теперь найдем активистов, состоящих в нескольких кружках. Откуда подступиться к этой задаче?

Положим для простоты, что в школе лишь три кружка, их списки представлены множествами S1, S2 и S3. Выявить тех, кто состоит одновременно в кружках S1 и S2 легко, – достаточно найти пересечение S1*S2. Точно так же поступим с другими парами: S1 и S3, S2 и S3. Объединив все три пересечения, мы выявим интересующих нас школяров. Итак, решение задачи выразится формулой.

    R := S1*S2 + S1*S3 + S2*S3;

Попадут ли в это множество ученики, состоящие во всех трех кружках? Если да, то, как их отделить от прочих? Придумайте, как выявить тех, кто состоит:

• в трех кружках:

• в двух кружках и не более;

• только в одном из кружков.

Надеюсь, что с этим проектом, назовем его «P_38_1», вы справитесь сами, желаю успеха!

Контрразведка некоторого государства обнаружила утечку информации из лабораторий секретного учреждения. Для поимки шпиона позвали сыщика Шерлока Ивановича Холмского. Первым делом, он попросил списки сотрудников лабораторий. Лаборатории именовались латинскими буквами: «A», «B», «C» и так далее, причем некоторые сотрудники допускались в несколько лабораторий. Шерлок Иванович оцифровал списки, заменив фамилии сотрудников их табельными номерами, то есть, уникальными числами. Затем сгруппировал эти числа по лабораториям и составил табл. 6.

Табл. 6 – Исходные данные для «вычисления» завербованного сотрудника

Дальнейшее разбирательство показало, что утечка секретов случалась только из лабораторий «A», «D», «G» и «H» (в таблице они выделены серым цветом). При этом секреты остальных лабораторий («B», «C», «E» и «F») остались нетронутыми. Это направило дедуктивную мысль в правильное русло.

«Очевидно, – рассуждал Шерлок Иванович, – шпионить может тот, кто допущен в «дырявые» лаборатории. Из этого круга исключим тех, кто работает в нетронутых лабораториях, иначе их секреты тоже стали бы известны». Рассудив так, Шерлок Иванович достал ноутбук, и через 30 минут агент был вычислен, – подозреваемым оказался сотрудник с номером 45. Установленная за ним слежка подтвердила подозрение, и шпион был задержан.

Слабо ли вам повторить подвиг контрразведчика? Воспроизведите программу, написанную Шерлоком Ивановичем, я подскажу вам только её первую строку.

{ P_38_2 – подвиг контрразведчика }

Это случилось на затерянном в океане материке, что носил на себе несколько царств-государств. Жители материка – те ещё скряги – тратили для названий своих стран всего по одной букве: «A», «B», «C» и так далее. И мы будем их так называть. Границами стран служили каналы, специально для того прорытые; каналы были пронумерованы. Некоторые страны выходили к океану, берега которого тоже были пронумерованы и служили границами.

Самым могущественным было царство «A». Однако, ввиду его обширности и частых политических перемен, тамошний государь никак не мог уяснить точные границы своей страны. Он толком не знал даже ближайших соседей, – сведения были самыми разноречивыми. Когда терпение монарха лопнуло, он повелел своим инженерам запустить спутник, который бы исследовал границы и внес ясность в этот вопрос.

Слово царя – закон, и вскоре спутник кружился на орбите. С высоты ясно наблюдались берега океана и каналы, составлявшие границы царств. Рис. 87 показывает то, что «увидел» спутник. Буквами обозначены названия стран, а числами – участки границ. В центре континента темным цветом выделено обширное царство «A». К нему примыкают несколько стран, отмеченные серым, – это его соседи. Страны, примыкающие к царству «A» уголками своих границ, соседями не считаются. Они и все прочие «не соседи» отмечены белым цветом, а вокруг – океан.

К сожалению, примитивная техника тех лет не смогла отправить на землю эту фотографию. Спутник передал лишь номера границ каждого государства в виде текстового файла, содержащего строчки чисел.

Выдернув из принтера ещё теплую распечатку файла, первый министр примчался во дворец, протянул листок монарху и покорно припал к подножию трона. Царь встрепенулся, стал разглядывать бумажку, вертеть её так и сяк, и даже на зуб попробовал. Наконец терпение государя иссякло: «Болван, – обратился он к министру, – покажи тут наших соседей. Что? Не можешь? Так проваливай с глаз долой!». И смятая распечатка угодила в лицо министра. «А ведь хотел, как лучше…» — стучало в башке убегающего премьера. «А получилось, как всегда!» — догнал его вопль взбешённого монарха.

Куда податься бедолаге? Разумеется, к самому умному, – к придворному программисту. «Выручай, браток, я тебе премию выпишу!». Инженеры, создавшие спутник, тоже не остались в стороне и растолковали программисту суть проблемы. Расправив скомканную царской рукой бумагу, Ник – так звали придворного программиста – увидел вот что.

29 21 30 31 32

17 18 19 29 28

3 4 5 20 19 18

6 7 22 21 20

8 9 25 24 23 22

10 11 26 30 23 24 25

12 13 15 27 26

14 1 2 17 16 15

16 28 32 31 27

Каждая строка этого файла, – объяснили инженеры, – перечисляет границы некоторого царства: первая строка – царства «A», вторая – царства «B» и так далее. Имена стран в файле не указаны, но подразумевается их алфавитный порядок. Надо составить список стран, которые соседствуют с нашей страной «A» – первой в этом списке.

Друзья, отложите книгу и попытайтесь решить эту интересную задачу. В случае успеха, я похлопочу за вас при дворе!

А пока вы раздумываете, я исполню свой долг перед историей и покажу решение заморского коллеги. Ник сразу понял, что имеет дело с двумя видами множеств: множеством границ, обозначенных числами, и множеством стран, обозначенных буквами (вы помните, что страны именовались буквами?). Парень смекнул, что две страны соседствуют тогда, когда пересечение множеств их границ не пусто (это значит, что у них есть общие границы). Дальше его мысли устремились так быстро, что пальцы едва успевали тыкать по клавишам. Вот плод его труда.

{ P_38_3 – поиск стран–соседей }

type TBoundSet = set of byte;     { множество границ }

    TStateSet = set of Char;     { множество стран }

    {––––– Распечатка множества стран (символов) –––––}

procedure WriteCharSet(var aFile: text; const aSet : TStateSet);

var c : char;

begin

    for c:='A' to 'Z' do if c in aSet then Write(aFile, c:2);

    Writeln(aFile);

end;

    {––––– Ввод множества границ (чисел) –––––}

procedure ReadSet(var aFile: text; var aSet : TBoundSet);

var k : integer;

begin

    While not Eoln(aFile) do begin

    Read(aFile, K); aSet:= aSet+[K];

    end;

    Readln (aFile);

end;

var FileIn, FileOut: text;

    R: TStateSet;     { множество соседей (результат) }

    SA, S : TBoundSet;     { границы царства «A» и прочих }

    State: char;     { буква с названием очередной страны }

begin     {––––– Главная программа –––––}

    Assign(FileIn, 'P_38_3.in'); Reset(FileIn);

    Assign(FileOut, ''); Rewrite(FileOut);

    R:= []; SA:=[]; State:='A'; { начнем с царства «A» }

    ReadSet(FileIn, SA); { из первой строки читаем границы для «A»}

    while not Eof (FileIn) do begin { цикл по странам }

    State:= Succ(State);     { буква следующей страны }

    S:=[]; ReadSet(FileIn, S); { читаем границы страны }

    { если граничит с царством «A», добавляем к результату }

    if S*SA <> [] then R:= R + [State];

    end;

    WriteCharSet(FileOut, R); Readln; { вывод результата }

    Close(FileIn); Close(FileOut);

end.

Программа Ника вычислила, что царство «A» соседствует с царствами «B», «D», «F», «I». Со временем проверка на местности это подтвердила.

Царь щедро наградил программиста, но история на этом не закончилась. О великом научном успехе скоро знала и последняя собака на материке. Но больше других этот успех заинтересовал купцов, плативших пошлины при пересечении границ. Они явились к Нику с предложением, от которого тот не смог отказаться. Хотите продолжения сказки? – оно ждёт вас в главах 49, 57 и 58.

Древние греки не знали, что они древние. И компьютеров тоже не знали, зато дышали бодрящим морским воздухом, коротая досуг в философских и математических размышлениях. Греческий досуг оказался не таким уж пустым, – иные задачки, придуманные под ласковый шепот волн, не решены по сию пору! Одна из них – вычисление простых чисел.

Прежде всего, выясним, что это за числа? Простым называют число, которое делится без остатка лишь на само себя и единицу. Все прочие числа являются составными. Возьмем, к примеру, числа от 1 до 10 и выделим среди них составные.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Здесь отмечены составные числа 4, 6, 8, 9 и 10, – они делятся без остатка либо на 2, либо на 3. Оставшиеся числа 1, 2, 3, 5 и 7 являются простыми.

Кто-то из греков задался вопросом: можно ли вычислить очередное простое число, если известны все предыдущие? Например, исходя из того, что числа 1, 2, 3 и 5 простые, определить следующее простое число (7). Как ни мудрили мудрецы, такой формулы или алгоритма пока не придумали! Но усилия в этом направлении породили целые отрасли математики, – вот такой полезный неуспех!

Размышлял над задачей и грек Эратосфен. Он тоже не решил её, однако нашел остроумный способ отсеивать простые числа, не превышающие некоторого числа N. Вот суть его идеи.

Положим, мы ищем простые числа не превышающие 20. Выпишем на морском песочке в ряд числа с 1 до 20. Первые два числа – 1 и 2 – простые, их не тронем, а среди остальных сотрем каждое второе, то есть 4, 6, 8 и так далее.

Затем находим первое нестертое число – это три. Сотрем каждое третье после тройки: 6, 9, 12, 15 и 18 (хотя часть из них уже стерта, лишний раз это сделать не повредит). Повторяя процедуру, находим следующее нестертое число – это пять. Стираем каждое пятое после пятерки: 10, 15, 20 (хотя все они уже стерты). Достигнув середины этого списка – числа 11, остановимся. Дальше двигаться нет смысла, поскольку на песке остались лишь простые числа.

Примечание. Если говорить точнее, лучше остановиться на числе, которое составляет корень квадратный из числа N, в данном случае это 5. Но для упрощения задачи мы будем обрабатывать больше чисел – половину ряда.

Вот результат этой пляжной математики, где стираемые числа выделены, а стертые обозначены звездочками. Здесь хватило всего двух просевов.

1-й отсев чисел, кратных 2:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

2-й отсев чисел, кратных 3:

1 2 3 * 5 * 7 * 9 * 11 * 13 * 15 * 17 * 19 *

Результат – простые числа:

1 2 3 * 5 * 7 * * * 11 * 13 * * * 17 * 19 *

А если бы Эратосфен жил в наше время? Стал бы он царапать на песке? Конечно, нет, – на что ж тогда компьютеры? Программа «P_38_4» находит все простые числа, не превышающие 255, – роль песка исполняет множество чисел.

program P_38_4; { Решето Эратосфена }

var Simples : set of byte; { множество чисел }

n, m : integer;

F : text;

begin

Assign(F, 'P_38_4.out'); Rewrite(F);

Simples:= [2..255]; { Сначала множество полное }

{ Цикл вычеркивания составных чисел }

for n:=2 to (255 div 2) do begin

    { если число ещё не вычеркнуто }

    if n in Simples then

    { проверяем на кратность ему все последующие }

    for m:=2*n to 255 do

    { если остаток(m/n) равен нулю, то m – составное }

    if (m mod n)=0

    { и его надо вычеркнуть из множества}

    then Simples:= Simples – [m];

end;

{ Распечатка множества простых чисел }

for n:=2 to 255 do if n in Simples then Writeln(F,n);

Close(F); Readln;

end.

Одну из первых своих программ мы снабдили разумом попугая, научив повторять имя пользователя. После ввода имени в переменную S программа печатала.

    Writeln (’Здравствуй, ’+ S);

Сделаем её чуть умнее, научив отличать мальчиков от девочек. По крайней мере, для русских имен. Русские женские имена оканчиваются на буквы «а» или «я» (Анна, Светлана, Мария и так далее), чего не скажешь о мужских. Последнюю букву имени можно «выдернуть» в символьную переменную C таким оператором.

    C:= S[Length(S)];

И теперь приветствовать пользователя можно так:

    if (C=’А’) or (C=’а’) or (C=’Я’) or (C=’я’)

    then Writeln (’Здравствуй, девочка ’+ S)

    else Writeln (’Здравствуй, мальчик ’+ S);

Здесь проверяется совпадение переменной C с буквами верхнего и нижнего регистров, поскольку нельзя предсказать, в каком регистре будет введено имя. Условный оператор выглядит громоздко, но, призвав на помощь множество, мы упростим его.

    if C in [’А’, ’а’, ’Я’, ’я’]

    then Writeln (’Здравствуй, девочка ’+ S)

    else Writeln (’Здравствуй, мальчик ’+ S);

Переменную C проверяем на попадание в множество символов. Согласитесь, этот вариант читается приятней.

Если вовремя смекнуть, что имеете дело с множествами, сложные задачи, как по волшебству, превратятся в простые!

А) Напишите программу для решения директорских задач и повторите подвиг контрразведчика. Или слабо?

Б) На острове действовали забавные законы по части транспортных средств – автобусов, грузовиков и легковушек. Во-первых, общее количество автомобилей на острове не должно было превышать 256. Автомобилям назначались номера с 0 до 255, при этом соблюдались следующие правила.

Номера, делившиеся без остатка на 7, назначались автобусам. Те, что делились без остатка на 5, назначались грузовикам, а все прочие – легковушкам. Например, номера 35 и 70 (они делятся и на 7, и на 5) доставались автобусам, а не грузовикам.

Схожие правила применялись и к окраске автомобилей, а именно: если номер авто делился на 4, его красили красным, если на 3 – желтым, если на 2 – белым, а остальные автомобили красили черным.

• Сформируйте три множества по классам автомобилей – автобусы, грузовики и легковушки. Вычислите количество машин каждого класса (Ответ: 37, 44, 175).

• Сформируйте четыре множества по цвету автомобилей – красные, желтые, белые и черные. Определите количество машин каждого цвета (Ответ: 64, 64, 43, 85).

• Столица того государства – деревня Кокосовка – страдала от пробок. Для их устранения ввели ограничение на въезд транспорта. Так, в один из дней недели в столицу пускали только красные легковушки, белые грузовики и все автобусы. Найдите номера всех этих машин. Сколько всего автомобилей могло въехать в столицу в тот день?

В) Полицейская база островного государства содержала номера угнанных автомобилей – числа от 1 до 255. Это был текстовый файл такого, например, вида:

120 31 16 25

То есть, номера перечислялись через пробел и следовали в произвольном порядке, что неудобно при поиске вручную. Ваша программа должна создать файл с номерами, упорядоченными по возрастанию. Подсказка: примените множество чисел.

Г) Генерация пароля длиной не менее восьми символов. В пароль входят символы трёх сортов: цифры, маленькие и большие латинские буквы, например: «7UpJ7rsT», «PasCal701». Сделайте четыре варианта так, чтобы соблюдались следующие условия:

• символ каждого сорта входит в пароль не менее двух раз, некоторые символы могут повторяться;

• все символы пароля уникальны (примените множество);

• символы одного сорта не соседствуют, например: «Pa7sCaL5», уникальность символов не требуется;

• символы одного сорта не соседствуют и все символы уникальны.

Д) Напишите четыре булевы функции, проверяющие, является ли введенная пользователем строка правильно сформированным паролем согласно условиям предыдущей задачи.