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ソフトウェア概論A/B (2015/06/26)
Ver. 1.0

2015年6月26日
栗野 俊一
kurino@math.cst.nihon-u.ac.jp
http://edu-gw2.math.cst.nihon-u.ac.jp/~kurino/2015/soft/soft.html
ソフトウェア概論 A/B2015年6月26日 の資料

目次

講義資料

当日の OHP 資料

Download

講義で利用するサンプルプログラム

Download : sample-001.c ( SJIS 版 )

sample-001.c
/*
 * CDATE sample-001.c
 */

/*
 * 二分法による代数方程式の解法
 *
 * 利用方法
 *		コンパイル
 *			cc -I../../include -o BASENAME.exe sample-001.c
 *		実行
 *			BASENAME
 *
 *	代数方程式
 *     f(x) = (x-1)(x+1)(x-2) = x^3+2x^2-x-2 = 0
 *  を「数値的」に解く
 *
 */

#include <stdio.h>

#include "s_input.h"
#include "s_print.h"

/*
 * ε : EPSILON (誤差限界:これより小さい時は同じと見做す)の定義
 */

#define EPSILON 0.000001	/* define でε(EPSILON)を定義 */
							/* 計算結果の精度の尺度になる */
							/* 残念ながら「0」にはできない */
							/* 今回は 0.00001 だが、もちろん、
							   0.01 とか 0.00000001 にしてもよい */

/*
 *  f(x) = x^3+2x^2-x-2
 */

double f(double x) {

	   return x * x * x + 2 * x * x - x - 2;
}

/*
 * 二分法で、方程式 f(x)=0 の解 (x0) を求める
 *
 *    min < x0 < max であり f(min)<0, 0<f(max) を仮定する
 *
 *   solove_binary ( double min, double max )
 *
 */

double solve_binary ( double min, double max ) {
	/*
		f(min) < 0 < f(max) (仮定) なので、答えは [min,max] の中にある
			max-min < EPSILON なら、十分に精度が得られたとする
			そうでなければ、中点 (mid = (min+max)/2 ) での
			f の値 ( f(mid) ) の符号をみて、
				正なら、答えは [min,mid] そうでなければ [mid,max] にある
	*/

	if ( (max-min) < EPSILON ) {	/* 十分に狭い範囲にできた */
		return (max+min)/2.0;		/* 中点を答えにする */ 
	} else if ( f((max+min)/2.0) > 0 ) {	/* まだ大きい */
		return solve_binary ( min, (max+min)/2.0 );
	} else {
		return solve_binary ( (max+min)/2.0, max );
	}
}

/*
 *	main 関数
 */

int main ( void ) {

	s_print_string ( "方程式 f(x)=x^3+2x^2-x-2=0 の解を、区間[0,3]から探す\n" );

	s_print_string ( "f(0)=-2 < 0, f(3)=40 > 0 なので、[0,3] の中に解がある\n" );

	s_print_string ( "二分法で得られた答えは : " );
	s_print_double ( solve_binary ( 0.0, 3.0 ) );
	s_print_string ( "になりました。\n" );

	s_print_string ( "答えを代入すると " );
	s_print_double ( f( solve_binary ( 0.0, 3.0 ) ) );
	s_print_string ( " なので、ほぼ答えに近い事が分ります\n" );

	return 0;
}
sample-001.c の実行結果
$ ./sample-001.exe
方程式 f(x)=x^3+2x^2-x-2=0 の解を、区間[0,3]から探す
f(0)=-2 < 0, f(3)=40 > 0 なので、[0,3] の中に解がある
二分法で得られた答えは : 1.000000になりました。
答えを代入すると 0.000001 なので、ほぼ答えに近い事が分ります
$ 

Download : sample-002.c ( SJIS 版 )

sample-002.c
/*
 * 2015/06/26 sample-002.c
 */

/*
 * リーマン積分
 *
 * 利用方法
 *		コンパイル
 *			cc -I../../include -o BASENAME.exe sample-002.c
 *		実行
 *			./BASENAME.exe
 *
 *	定積分
 *     \int_0^1 x^2 dx
 *  を「数値的」に解く
 *
 */

#include <stdio.h>

#include "s_input.h"
#include "s_print.h"

/*
 *
 */

#define FRACTIONAL 1000 /* 区間の等分数 */

/*
 * f(x)=x^2
 */

double f(double x) {

	   return x * x;
}

/*
 reman_sum ( int i, int n, double min, double max )
	S_i 〜 S_{n^1} の和を計算する
*/

double reman_sum ( int i, int n, double min, double max ) {

	if ( i < n )	{	/* まだ計算が必要 */
		return
			reman_sum ( i + 1, n, min, max )
				+
			f(min+i*(max-min)/n)*(max-min)/n;
	} else {			/* もう、全て計算した */
		return 0.0;		/* 残る結果は 0 になる */
	}
}

/*
 * リーマン積分
 *
 *    min < x0 < max であり f(min)<0, 0<f(max) を仮定する
 *
 *   solove_reaman ( double min, double max )
 *
 */

double solve_reman ( double min, double max ) {
	/*
       min から max までを積分
       基本は reman_sum に任せる
	*/

    return reman_sum ( 0, FRACTIONAL, min, max );

}

/*
 *	main 関数
 */

int main ( void ) {

	s_print_string ( "関数 f(x)=x^2 を区間[0,1]で数値定積分する。\n" );

	s_print_string ( "リーマンの定義に従って計算した答えは : " );
	s_print_double ( solve_reman ( 0.0, 1.0 ) );
	s_print_string ( "になりました。\n" );

	s_print_string ( "解析的な計算の結果は 1/3 なので、誤差は " );
	s_print_double ( solve_reman ( 0.0, 1.0 ) - 1.0/3.0 );
	s_print_string ( " になり、ほぼ答えに近い事がわかります\n" );

	return 0;
}
sample-002.c の実行結果
$ ./sample-002.exe
関数 f(x)=x^2 を区間[0,1]で数値定積分する。
リーマンの定義に従って計算した答えは : 0.332833になりました。
解析的な計算の結果は 1/3 なので、誤差は -0.000500 になり、ほぼ答えに近い事がわかります
$ 

Download : sample-003.c ( SJIS 版 )

sample-003.c
/*
 * 2015/06/26 sample-003.c
 */

/*
 * モンテ=カルロ法で、円周率の計算
 *
 * 利用方法
 *		コンパイル
 *			cc -Ic:\usr\c\include -o BASENAME.exe sample-003.c
 *		実行
 *			BASENAME
 *
 */

#include <stdio.h>

#include "s_input.h"
#include "s_print.h"

/*
 *
 */

#define FRACTION 1000 /* 試行回数 */

/*
 * 単位円 : x^2+y^2=1 の内部かどうか
 */

double f(double x, double y) {

	   return x * x + y * y;
}

/*
 * randN
 */

int randR() {

	return (double)(rand() % FRACTION) / FRACTION;
}

/*
 monte_sum ( int i, int n, double min, double max )
	S_i 〜 S_{n^1} の和を計算する
*/

double monte_sum ( int i, int n ) {

	if ( i < n )	{	/* まだ計算が必要 */
		return
			monte_sum ( i + 1, n )
				+
			f(min+i*(max-min)/n)*(max-min)/n;
	} else {			/* もう、全て計算した */
		return 0.0;		/* 残る結果は 0 になる */
	}
}

/*
 * モンテ=カルロ法で円周率を計算
 *
 *   solve_monte ()
 *
 */

double solve_reman () {

    return 4.0 * monte_sum ( 0, FRACTIONAL ) / FRACTIONAL;

}

/*
 *	main 関数
 */

int main ( void ) {

	s_print_string ( "関数 f(x)=x^2 を区間[0,1]で数値定積分する。\n" );

	s_print_string ( "リーマンの定義に従って計算した答えは : " );
	s_print_double ( solve_reman ( 0.0, 1.0 ) );
	s_print_string ( "になりました。\n" );

	s_print_string ( "解析的な計算の結果は 1/3 なので、誤差は " );
	s_print_double ( solve_reman ( 0.0, 1.0 ) - 1.0/3.0 );
	s_print_string ( " になり、ほぼ答えに近い事がわかります\n" );

	return 0;
}
sample-003.c の実行結果
$ ./sample-003.exe
関数 f(x)=x^2 を区間[0,1]で数値定積分する。
リーマンの定義に従って計算した答えは : 0.332833になりました。
解析的な計算の結果は 1/3 なので、誤差は -0.000500 になり、ほぼ答えに近い事がわかります
$ 

講議中に作成したプログラム

本日の課題

課題プログラム内の「/*名前:ここ*/」の部分を書き換え「/*この部分を完成させなさい*/」の部分にプログラムを追加して、プログラムを完成させます。

課題 20150626-01 : 一つ浮動小数点数値をキーボードから入力し、その立方根を出力する

Download : 20150626-01.c ( SJIS 版 )

20150626-01.c
/*
 * TITLE
 *
 * CDATE FILENAME
 *
 *	一つ浮動小数点数値をキーボードから入力し、その立方根を出力する
 *	手段としては、「二分法」を使う
 */

#include <stdio.h>

#include "s_input.h"
#include "s_print.h"

/*
 *
 */

#define	EPSILON	0.00000001		/* 誤差幅 */

/*
* double regula_falsi_cubic_root ( double a, double min, double mid, double \
    max )
 *		double a	立方根の元になる数(正を仮定している)
 *		double min, max 根の入る区間の範囲
 *		double mid	min と mid の中点
 *		return		a 立方根
 *			二分法により、a の立方根を求める
 *			0 < min < a の立方根 < max
 */

double regula_falsi_cubic_root ( double a, double min, double mid, double \
    max ) {

	if ( max - min < EPSILON ) {	/* 十分に精度が上った */
		return mid;					/* 中点の値を答として返す */
	} else {						/* まだ、狭める必要がある */
		/* min が解のどちら側にあるかを調べ.. それに併せて区間を調整 */
		/* f(x)=x^3-a */
		if ( mid * mid * mid - a < 0.0 ) {	/* f(mid) の符号を確認 */
					/* 解の左にあった */

	/*
	**	 この部分を完成させなさい
	*/

		} else {	/* 解の右にあった */
			return regula_falsi_cubic_root ( a, min, (min+mid)/2.0, mid );
		}
	}
}


/*
 * double cubic_root ( double a )
 *		double a	立方根の元になる数
 *		return		a 立方根
 *			a の立方根を求めて結果として返すが、
 *			計算の基本は、regula_falsi_cubic_root にまかせる
 *			ここでは、計算の正規化を行う
 */

double cubic_root ( double a ) {

	if ( a < 0.0 ) {					/* a が負の数ならば.. */
		/* -a の立方根を計算し、負数を返す */

	/*
	**	 この部分を完成させなさい
	*/

	} else if ( a < 1.0 ) {				/* a が 1.0 以下なら */

	/*
	**	 この部分を完成させなさい
	*/

										/* 立方根は a と 1.0 の間にある */
	} else {							/* そうでなければ.. */
		return regula_falsi_cubic_root ( a, 1.0, (1.0+a)/2.0, a );
										/* 立方根は 1.0 と a の間にある */
	}

}

/*
 * void print_cubic_root ( double a )
 *		double a	立方根を計算する数
 *			元の数と、立方根を出力する
 */

void print_cubic_root ( double a ) {

	 s_print_double ( a );
	 s_print_string ( " の立方根は " );

	/*
	**	 この部分を完成させなさい
	*/

	 s_print_string ( " です。\n" );

}

/*
 *	main
 */

int main( double argc, char *argv[] )
{

	s_print_string ( "実数値を一つ入力してください : " );	
	print_cubic_root ( s_input_double() );

	return 0;
}
入力例
12.34
20150626-01.c の実行結果
$ ./20150626-01-QQQQ.exe
実数値を一つ入力してください : 12.340000
12.340000 の立方根は 2.310850 です。
$ 

課題 20150626-02 : C-Curve を描画するプログラム

Download : 20150626-02.c ( SJIS 版 )

20150626-02.c
/*
 * TITLE
 *
 * CDATE FILENAME
 *
 * 再帰曲線である C-Curve を描画するプログラムを作る
 *
 */

#include <stdio.h>

/*
 *	亀プログラムには、s_turtle.h が必要
 */

#include "s_turtle.h"

/*
 * 再帰曲線
 */

void move ( int n ) {
  if ( n <= 0 ) {
  } else {
    s_turtle_move();
    move ( n - 1 );
  }
}

void turn ( int n ) {
  if ( n <= 0 ) {
  } else {
    s_turtle_turn();
    turn ( n - 1 );
  }
}

void jump ( int n ) {
  if ( n <= 0 ) {
  } else {
    s_turtle_jump();
    jump ( n - 1 );
  }
}

/*
 * C カーブ
 *                       +            + + + + +
 *                     +   +          +       +
 *  + + + + + ====>  +       + ====>  +       +
 *
 */

void ccurve ( int n ) {
  if ( n <= 0 ) {
    move ( 4 );
  } else {
    turn ( 7 );
    ccurve ( n - 1 );

	/*
	**	 この部分を完成させなさい
	*/

    turn ( 7 );
  }
}

int main ( void ) {

  turn ( 2 );
  jump ( 40 );
  turn ( 4 );

  ccurve ( 8 );

  putchar ( '>' );
  putchar ( getchar() );

  return 0;
}
入力例
abc123
20150626-02.c の実行結果
$ ./20150626-02-QQQQ.exe
$