数学の勉強を兼ねて、数式を計算するプログラムを作っています。Qiita などに貼ることを前提に TeX のコードを出力します。

※ プログラミングを数学の勉強に応用する例としての紹介です。この方法で勉強するなら各自で似たようなコードを書くことになります。この記事で紹介するのは、どちらかというと捨てスクリプトの類です。

簡単な計算しかできませんが、計算過程をコードで記述することで好きなように変形するのが狙いです。例を示します。

(x+y)^3=x^3+3x^2y+3xy^2+y^3

シリーズの記事です。この記事で作ったプログラムを拡張して計算します。

関連するコードをまとめたリポジトリです。

https://bitbucket.org/7shi/math7

この記事には関連記事があります。

2014.09.19 Haskellによる代数計算入門
2017.11.29 ディラック作用素の代数計算

実装

実装には F# を使用します。

以下の記事で紹介した手法で開発しました。

2016.12.30 F#開発環境の紹介

F#の入門記事を書いています。

2017.01.04 C#/JavaScriptで学ぶF#入門
2017.01.11 Haskellで学ぶF#入門

項

まず項の表現方法を決めます。係数と文字をタプルにして組み合わせます。定数項は文字を空にします。

例

(2,"x")  // 2x
(3,"")   // 3

これを文字列に変換する関数 str を実装します。

let str = function
|  a, "" -> sprintf "%d" a
|  1, x  ->       x
| -1, x  -> "-" + x
|  a, x  -> sprintf "%d%s" a x

printfn "%s" (str ( 3,"" ))
printfn "%s" (str ( 1,"x"))
printfn "%s" (str ( 2,"y"))
printfn "%s" (str (-1,"y"))
printfn "%s" (str (-2,"z"))

実行結果

3
x
2y
-y
-2z

多項式

多項式はリストで表現します。

例

[2,"x"; 3,"y"]  // 2x+3y

これを文字列に変換する関数 strs を実装します。順番 i を見て + を挿入します。

let strs ts =
    ts
    |> List.mapi (fun i (a, _ as t) ->
        if i > 0 && a >= 0 then "+" + str t else str t)
    |> String.concat ""

printfn "%s" (strs [2,"x"; 3,"y"])

実行結果

2x

べき乗

べき乗は同じ文字の繰り返しで表現します。str を対応させます。Seq.groupBy がポイントです。

let str (a, x) =
    if x = "" then a.ToString() else
    let sa = match a with 1 -> "" | -1 -> "-" | _ -> a.ToString()
    x.ToCharArray()
    |> Seq.groupBy id
    |> Seq.map (fun (e, xs) ->
        match Seq.length xs with
        | 1 -> e.ToString()
        | n -> sprintf "%c^%d" e n)
    |> String.concat ""
    |> (+) sa

printfn "%s" (str (1,"xx"))

実行結果

x^2

項の積

項の積を計算する関数 prod を実装します。係数を掛けて、文字は連結します。

let prod (ts:(int * string) list) =
    ts |> Seq.reduce (fun (a, x) (b, y) -> a * b, x + y)

printfn "%s" (prod [2,"x"; 3,"y"] |> str)

実行結果

6xy

多項式の積

多項式の積を計算する関数 prods を実装します。

let prods ts =
    ts
    |> Seq.reduce (fun al bl ->
        [for a in al do for b in bl -> prod [a; b]])

let a, b = [1,"x"; 2,"" ], [1,"x"; 3,"" ]
let c, d = [1,"x"; 2,"y"], [1,"x"; 3,"y"]
printfn "(%s)(%s)=%s" (strs a) (strs b) (prods [a; b] |> strs)
printfn "(%s)(%s)=%s" (strs c) (strs d) (prods [c; d] |> strs)

実行結果

(x+2)(x+3)=x^2+3x+2x+6
(x+2y)(x+3y)=x^2+3xy+2yx+6y^2

同類項の整理

同類項を整理する関数 simplify を実装します。ここでも Seq.groupBy を使います。xy と yx を同一視するためソートします。

let simplify (ts:(int * string) list) =
    ts
    |> Seq.groupBy (fun (a, x) -> System.String(x.ToCharArray() |> Array.sort))
    |> Seq.map (fun (a, xl) -> xl |> Seq.map fst |> Seq.sum, a)
    |> Seq.toList

printfn "(%s)(%s)=%s" (strs a) (strs b) (prods [a; b] |> simplify |> strs)
printfn "(%s)(%s)=%s" (strs c) (strs d) (prods [c; d] |> simplify |> strs)

実行結果

(x+2)(x+3)=x^2+5x+6
(x+2y)(x+3y)=x^2+5xy+6y^2

使用例

$(x+y)$ のべき乗を計算してみます。

printfn @"\begin{align}"
let f = [1,"x"; 1,"y"]
for n = 2 to 8 do
    let ff = List.replicate n f |> prods |> simplify
    printfn @"(%s)^%d&=%s \\" (strs f) n (strs ff)
printfn @"\end{align}"

出力結果

\begin{align}
(x+y)^2&=x^2+2xy+y^2 \\
(x+y)^3&=x^3+3x^2y+3xy^2+y^3 \\
(x+y)^4&=x^4+4x^3y+6x^2y^2+4xy^3+y^4 \\
(x+y)^5&=x^5+5x^4y+10x^3y^2+10x^2y^3+5xy^4+y^5 \\
(x+y)^6&=x^6+6x^5y+15x^4y^2+20x^3y^3+15x^2y^4+6xy^5+y^6 \\
(x+y)^7&=x^7+7x^6y+21x^5y^2+35x^4y^3+35x^3y^4+21x^2y^5+7xy^6+y^7 \\
(x+y)^8&=x^8+8x^7y+28x^6y^2+56x^5y^3+70x^4y^4+56x^3y^5+28x^2y^6+8xy^7+y^8 \\
\end{align}

\begin{align}
(x+y)^2&=x^2+2xy+y^2 \\
(x+y)^3&=x^3+3x^2y+3xy^2+y^3 \\
(x+y)^4&=x^4+4x^3y+6x^2y^2+4xy^3+y^4 \\
(x+y)^5&=x^5+5x^4y+10x^3y^2+10x^2y^3+5xy^4+y^5 \\
(x+y)^6&=x^6+6x^5y+15x^4y^2+20x^3y^3+15x^2y^4+6xy^5+y^6 \\
(x+y)^7&=x^7+7x^6y+21x^5y^2+35x^4y^3+35x^3y^4+21x^2y^5+7xy^6+y^7 \\
(x+y)^8&=x^8+8x^7y+28x^6y^2+56x^5y^3+70x^4y^4+56x^3y^5+28x^2y^6+8xy^7+y^8 \\
\end{align}

プログラム全体: Term.fsx

Math7

この記事で作ったプログラムをベースに機能拡張しながら続編の記事を書いています。

https://bitbucket.org/7shi/math7

Math7 という名前は適当で、7は七誌の七です。