用欧拉计划学习Rust编程(第13~16题)

最近想学习Libra数字货币的MOVE语言,发现它是用Rust编写的,所以先补一下Rust的基础知识。学习了一段时间,发现Rust的学习曲线非常陡峭,不过仍有快速入门的办法。

学习任何一项技能最怕没有反馈,尤其是学英语、学编程的时候,一定要“用”,学习编程时有一个非常有用的网站,它就是“欧拉计划”,网址: https://projecteuler.net

这个网站提供了几百道由易到难的数学问题,你可以用任何办法去解决它,当然主要还得靠编程,编程语言不限,论坛里已经有Java、C#、Python、Lisp、Haskell等各种解法,当然如果你直接用google搜索答案就没任何乐趣了。

学习Rust最好先把基本的语法和特性看过一遍,然后就可以动手解题了,解题的过程就是学习、试错、再学习、掌握和巩固的过程,学习进度会大大加快。

第13题 大整数求和

问题描述:

有100个长达50位的大整数,求和,只取前10位数字。

各种编程语言都有大整数的函数库,直接使用就行了,不用自己造轮子。在Rust里一样也有大量的现成的库,称为crate,这个单词翻译为“柳条箱”,不知道官方的翻译是什么。大整数的官方实现是num_bigint。

需要修改Cargo.toml文件:

[dependencies]
num-bigint = "0.2.2"

文件头加上相关的引用:

extern crate num_bigint;
use num_bigint::BigUint;

100个大整数这里用字符串数组表示。

let numbers = [
    "37107287533902102798797998220837590246510135740250",
    "46376937677490009712648124896970078050417018260538",
    "74324986199524741059474233309513058123726617309629",
    "22918802058777319719839450180888072429661980811197",
    // 省略了很多行
    "77158542502016545090413245809786882778948721859617",
    "72107838435069186155435662884062257473692284509516",
    "20849603980134001723930671666823555245252804609722",
    "53503534226472524250874054075591789781264330331690",
];

这里只用到了正整数BigUint,由于Rust是强类型语言,所以想办法把字符串转换为BigUint。

let mut sum = BigUint::from(0 as u64);
for s in numbers.iter() {
    sum += BigUint::parse_bytes(s.as_bytes(), 10).unwrap();
}
let full_str = sum.to_string();
println!("take 10 digits: {}", &full_str[..10]);

结果很长,只取前10个数字,用到字符串的切片函数 &full_str[..10]。

第14题

问题描述:

从100万之内挑一个数作为起始数,生成Collatz序列,哪个生成的链最长?

Collatz序列的意思是,当一个数n是偶数时,下一数为n/2;当n为奇数时,下一个数为3*n+1。

这种序列有一个猜想,最后都会收敛于4,2,1。例如:

13 → 40 → 20 → 10 → 5 → 16 → 8 → 4 → 2 → 1

用递归函数是比较简练的。

fn collatz_len(x: u64) -> u64 {
    if x == 1 {
        return 1;
    }
    let y;
    if x % 2 == 0 {
        y = x / 2;
    } else { 
        y = x * 3 + 1;
    }
    collatz_len(y) + 1
}

里面有一个关于y的分支判断,可以利用类似C#中的三元表达式 "cond ? a : b"写在一行里,在Rust里可以直接用if语句。

fn collatz_len(x: u64) -> u64 {
    if x == 1 {
        return 1;
    }
    let y = if x % 2 == 0 { x / 2 } else { x * 3 + 1 };
    collatz_len(y) + 1
}

主程序用一个循环暴力搜索就行了:

fn main() {
    let mut max = 0;
    for num in 1..1_000_000 {
        let c = collatz_len(num as u64);
        if c > max {
            max = c;
            println!("start num: {}   chain length: {}", num, max);
        }
    }
}

程序还可以优化一下性能,将一些运算的结果缓存起来,不用重复计算,这里不再展开。

第15题

问题描述:

已知2x2网格中从左上角到右下角共有6条可能路径,计算20x20网格中,有多少条可能的路径。
image

还是用递归的思路。对于m行n列的网格,可以利用其它网格的路径,即:

P(m,n) = P(m-1,n) + P(m-1,n-1) + ... + P(m-1,1) + P(m-1,0)

对于0行或者0列的网格,路径只有1条。

image

程序就比较容易写出来了:

fn path_slow(m: usize, n: usize) -> u64 {
    if m == 0 || n == 0 { return 1; }
    let mut sum = 0;
    for j in 0..=n {
        sum += path_slow(m-1, j);
    }
    return sum;
}

fn main() {
    println!("{}", path_slow(12, 12));
    println!("{}", path_slow(20, 20));
}

可惜程序的性能很差,对于12x12的网格可以秒出,而20x20的网格估计20分钟也没反应,看来重复的运算量太大了。

可以把以前计算的结果缓存到一个一维向量中,速度则大幅提升,这里可以学到&mut传入向量地址的语法知识点,另外初始化10000万个零,用 vec![0; 10000]。

fn main() {
    let mut v: Vec<u64> = vec![0; 10000];
    println!("{}", path_fast(&mut v, 20, 20));
}

fn path_fast(v: &mut Vec<u64>, m: usize, n: usize) -> u64 {
    if m == 0 || n == 0 {
        return 1;
    }
    if v[m * 100 + n] > 0 {
        return v[m * 100 + n];
    } //缓存命中
    let mut sum = 0;
    for j in 0..=n {
        sum += path_fast(v, m - 1, j);
    }
    v[m * 100 + n] = sum; // 加入缓存中
    println!("({},{}) {}", m, n, sum);
    return sum;
}

另外,这道题可以推导出一个排列组合的数学公式,当然就体会不到编程的乐趣了。

第16题

问题描述:

求2的1000次方的所有数字之和。

同样用到大整数的计算函数库num_bigint,注意添加依赖项。

extern crate num_bigint;
use num_bigint::BigUint;

大整数里没有power()函数,可以把2相乘1000次。

let mut prod = BigUint::from(1 as u64);
for _i in 0..1000 {
    prod *= BigUint::from(2 as u64);
}
let full_str = prod.to_string();
println!("{}", full_str);

在for循环里变量i并没有使用,所有前面添加一个下划线,可以不出现编译警告。

还可以学习一下函数式编程里的fold()的写法,用一行语句,但理解起来比前面的4行语句难一些。

let pow2_1000 = (0..1000).fold(BigUint::from(1 as u64), |p, _a| p*BigUint::from(2 as u64));
println!("{}", pow2_1000);

在第8题里学过把字符串切成一个个的数字,这里相加即可。

let s = full_str
    .chars()
    .map(|c| c.to_digit(10).unwrap())
    .sum::<u32>();
println!("{}", s);

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posted @ 2019-08-30 09:52  申龙斌的程序人生  阅读(441)  评论(0编辑  收藏  举报