C# :: Aufgabe #265 :: Lösung #1
2 Lösungen

#265
Das Zahnstochermuster und die Sequenz der Anzahl freier Spitzen im Muster
Fortgeschrittener - C#
von hollst
- 01.10.2019 um 18:15 Uhr
Man kann sogar mit Zahnstochern Mathematik bzw. Informatik betreiben!
Ein Zahnstochermuster wird schrittweise erzeugt: Im ersten Schritt legt man einen Zahnstocher
beliebig und flach auf eine 2D-Fläche ab. Ohne besondere Einschränkungen seien angenommen, dass jeder Zahnstocher
genau die Länge 1 (eins) hat und das erste Exemplar senkrecht und mittig in einem (X, Y)-Koordinatensystem
liegt. Das Muster hat nach dem ersten Schritt zwei freie Spitzen bei (1/2, 0) und (-1/2, 0).
Im zweite Schritt werden senkrecht zum ersten Zahnstocher auf die zwei freien Spitzen jeweils ein weiterer Zahnstocher gelegt,
danach haben wir vier freie Spitzen (siehe Bild step_2). Auf diese Weise wird schrittweise fortgefahren.
Die Sequenz der Anzahl freier Spitzen im Muster beginnt so:
Schritt........: 1..2..3..4..5....6..7..8..9..10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ...
freie Spitzen: 2..4..4..4..8..12, 8, 4, 8, 12, 12, 16, 28, 32, 16, 4, 8, 12, 12 ...
Sie steigt zunächst an bis 12 (Schritt 6), um danach auf 4 abzufallen (Schritt 8). Dieses Auf und Ab
zieht sich stetig fort (bis in alle Ewigkeit, was noch zu beweisen wäre [jedoch nicht von uns]).
Die Entwicklung des Zahnstochermusters hat fraktalen Charakter. Anhand von Bild step_10_14_17 soll dies belegt sein.
Die Programmieraufgabe bestehe darin, die Musterentwicklung bis zum Schritt 100 "interaktiv" darzustellen (Bild step_100)
und auch die Anzahl freier Zahnstocherspitzen jeweils anzugeben.
Viel Spaß!
Ein Zahnstochermuster wird schrittweise erzeugt: Im ersten Schritt legt man einen Zahnstocher
beliebig und flach auf eine 2D-Fläche ab. Ohne besondere Einschränkungen seien angenommen, dass jeder Zahnstocher
genau die Länge 1 (eins) hat und das erste Exemplar senkrecht und mittig in einem (X, Y)-Koordinatensystem
liegt. Das Muster hat nach dem ersten Schritt zwei freie Spitzen bei (1/2, 0) und (-1/2, 0).
Im zweite Schritt werden senkrecht zum ersten Zahnstocher auf die zwei freien Spitzen jeweils ein weiterer Zahnstocher gelegt,
danach haben wir vier freie Spitzen (siehe Bild step_2). Auf diese Weise wird schrittweise fortgefahren.
Die Sequenz der Anzahl freier Spitzen im Muster beginnt so:
Schritt........: 1..2..3..4..5....6..7..8..9..10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ...
freie Spitzen: 2..4..4..4..8..12, 8, 4, 8, 12, 12, 16, 28, 32, 16, 4, 8, 12, 12 ...
Sie steigt zunächst an bis 12 (Schritt 6), um danach auf 4 abzufallen (Schritt 8). Dieses Auf und Ab
zieht sich stetig fort (bis in alle Ewigkeit, was noch zu beweisen wäre [jedoch nicht von uns]).
Die Entwicklung des Zahnstochermusters hat fraktalen Charakter. Anhand von Bild step_10_14_17 soll dies belegt sein.
Die Programmieraufgabe bestehe darin, die Musterentwicklung bis zum Schritt 100 "interaktiv" darzustellen (Bild step_100)
und auch die Anzahl freier Zahnstocherspitzen jeweils anzugeben.
Viel Spaß!
#1

von eulerscheZhl (5230 Punkte)
- 03.11.2019 um 06:31 Uhr

using System; using System.Collections.Generic; using System.Drawing; using System.Linq; class Program { public static void Main(string[] args) { Fractal fractal = new Fractal(); for (int i = 1; i <= 100; i++) { fractal.Expand(); Bitmap bmp = fractal.Draw(); bmp.Save("step_" + i + ".png"); bmp.Dispose(); } } } class Toothpick : IEquatable<Toothpick> { public Point End1 { get; private set; } public Point End2 { get; private set; } public Toothpick(Point end1, Point end2) { this.End1 = end1; this.End2 = end2; } public bool Equals(Toothpick pick) { return this.End1 == pick.End1 && this.End2 == pick.End2 || this.End1 == pick.End2 && this.End2 == pick.End1; } public override int GetHashCode() { return End1.GetHashCode() ^ End2.GetHashCode(); } public IEnumerable<Toothpick> Expand() { Point center = new Point((End1.X + End2.X) / 2, (End1.Y + End2.Y) / 2); int dx = (End1.X - End2.X) / 2; int dy = (End1.Y - End2.Y) / 2; yield return new Toothpick(new Point(End1.X + dy, End1.Y + dx), new Point(End1.X - dy, End1.Y - dx)); yield return new Toothpick(new Point(End2.X + dy, End2.Y + dx), new Point(End2.X - dy, End2.Y - dx)); } } class Fractal { public HashSet<Toothpick> Toothpicks { get; private set; } = new HashSet<Toothpick>(); private List<Toothpick> border = new List<Toothpick>(); public Fractal() { border.Add(new Toothpick(new Point(1, 0), new Point(-1, 0))); } public void Expand() { Toothpicks.UnionWith(border); List<Toothpick> newBorder = new List<Toothpick>(); foreach (Toothpick pick in border) { foreach (Toothpick next in pick.Expand()) { if (!Toothpicks.Contains(next)) { Toothpick partner = newBorder.FirstOrDefault(p => p.Equals(next)); if (partner == null) newBorder.Add(next); else newBorder.Remove(partner); } } } border = newBorder; } private Point TransformPoint(Point p, int xMin, int yMin, int factor) { return new Point(factor * (p.X - xMin + 1), factor * (p.Y - yMin + 1)); } public Bitmap Draw() { List<Point> points = border.SelectMany(b => new[] { b.End1, b.End2 }).ToList(); int xMin = points.Min(p => p.X); int xMax = points.Max(p => p.X); int yMin = points.Min(p => p.Y); int yMax = points.Max(p => p.Y); int factor = 10; Bitmap bmp = new Bitmap(factor * (xMax - xMin + 2), factor * (yMax - yMin + 2)); using (Graphics g = Graphics.FromImage(bmp)) { g.Clear(Color.White); foreach (Toothpick pick in Toothpicks) g.DrawLine(Pens.Black, TransformPoint(pick.End1, xMin, yMin, factor), TransformPoint(pick.End2, xMin, yMin, factor)); foreach (Toothpick pick in border) g.DrawLine(Pens.Blue, TransformPoint(pick.End1, xMin, yMin, factor), TransformPoint(pick.End2, xMin, yMin, factor)); } return bmp; } }
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