01：JAVA_四则运算题目生成程序（基于控制台）

Posted 2020-10-29 Umzc

Java开发，基于控制台的四则运算表达式生成和批改，能够实现分数计算和真分数结果显示。GitHub：https://github.com/Umbrellazc/JavaCalculation

一、题目要求

1. 使用 -n 参数控制生成题目的个数，例如

       Myapp.exe -n 10 -o Exercise.txt

将生成10个题目。

2. 使用 -r 参数控制题目中数值（自然数、真分数和真分数分母）的范围，例如 

      Myapp.exe -r 10

 将生成10以内（不包括10）的四则运算题目。该参数可以设置为1或其他自然数。该参数必须给定，否则程序报错并给出帮助信息。

3. 生成的题目中如果存在形如e1 ÷ e2的子表达式，那么其结果应是真分数。

4. 每道题目中出现的运算符个数不超过3个。

5. 程序一次运行生成的题目不能重复，即任何两道题目不能通过有限次交换+和×左右的算术表达式变换为同一道题目。例如，23 + 45 = 和45 + 23 = 是重复的题目，6 × 8 = 和8 × 6 = 也是重复的题目。3+(2+1)和1+2+3这两个题目是重复的，由于+是左结合的，1+2+3等价于(1+2)+3，也就是3+(1+2)，也就是3+(2+1)。但是1+2+3和3+2+1是不重复的两道题，因为1+2+3等价于(1+2)+3，而3+2+1等价于(3+2)+1，它们之间不能通过有限次交换变成同一个题目。

生成的题目存入执行程序的当前目录下的Exercises.txt文件，格式如下：

     1. 四则运算题目1

     2. 四则运算题目2

          ……

 

其中真分数在输入输出时采用如下格式，真分数五分之三表示为3/5，真分数二又八分之三表示为2’3/8。

6. 在生成题目的同时，计算出所有题目的答案，并存入执行程序的当前目录下的Answers.txt文件，格式如下：

    1. 答案1

    2. 答案2

 

    特别的，真分数的运算如下例所示：1/6 + 1/8 = 7/24。

7. 程序应能支持一万道题目的生成。

8. 程序支持对给定的题目文件和答案文件，判定答案中的对错并进行数量统计，并会输出所有题目中重复的题目，输入参数如下：

     Myapp.exe -e <exercisefile>.txt -a <answerfile>.txt -o Grade.txt

 

统计结果输出到文件Grade.txt，格式如下：

 

Correct: 5 (1, 3, 5, 7, 9)

Wrong: 5 (2, 4, 6, 8, 10)

Repeat:2

RepeatDetail:

(1)   2,45+32  Repeat 3,32+45                    

(2)   5,3+(2+1)  Repeat 7,1+2+3

 

解释：

Correct: 5 ----5道题目正确，正确的题号 1,3,5,7,9

Wrong:5 -----5道题目错误，错误的题号 2,4,6,8,10

Repeat:2   2---组题目重复

(1) 第一组 题号2，题目 45+32  与题号3的题目重复，题号3为 32+45

(2)第二组  题号5，题目 3+(2+1) 与题号7的题目重复，题号7为 1+2+3

二、需求分析

1.可以根据给定参数，自动生成四则远算题库

2.根据提交的题目答案，生成相应的成绩

3.检查题库是否有重复

4.考虑到实际应用，需要根据年级划分题库难度

三、功能设计

1.用户输入出题数量，题目数值范围，题目难度及题库名

2.系统根据难度要求生成相应题目，并且检查题目是否重复，即查重

3.根据用户提交的答案，返回成绩

四、设计实现

com.cal.generate包：

　　FileCal.java  →  题库文件写入操作

　　GenerateCal →  根据用户参数生成四则远算，并组合成题库

com.cal.main包：

　　GetExercise →  生成四则运算程序入口，读取参数(-n,-r,-o)

　　VaildateExe  → 检查四则运算结果程序入口，读取参数(-e)

com.cal.mold包：

　　FractionCal         → 分数加减乘除计算结果

　　FractionStack     → 分数分装

　　MainParameter  → 程序入口参数分装

　　OutFileCal          → 题库分装

　　RPNCalculator    → 四则远算转后缀表达式，即进行逆波兰操作

trashcan包：

　　暂时没有用处或已经被替换的类

五、关键代码说明

package com.cal.mold;

import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Stack;

/**
 * 逆波兰表达式转换
 * 计算四则运算结果
 */
public class RPNCalculator {

    //运算符优先级
    private static HashMap<String,Integer> opLs;
    private FractionCal fc = new FractionCal();
    private String src;

    public RPNCalculator(String src) {
        this.src = src;
        if(opLs==null)
        {
            opLs = new HashMap<String,Integer>(6);
            opLs.put("+",0);
            opLs.put("-",0);
            opLs.put("*",1);
            opLs.put("/",1);
            opLs.put("%",1);
            opLs.put(")",2);
        }
    }

    //将中缀表达式转化为后缀表达式
    public String toRpn()
    {
        String[] tmp = split(src);
        // 后缀栈
        Stack<String> rpn = new Stack<String>();
        // 临时栈
        Stack<String> tmpSta = new Stack<String>();

        for (String str : tmp) {
            if (isNum(str)) {
                //是操作数,直接压入结果栈
                rpn.push(\'(\'+str+\')\');
            }else{
                //是操作符号
                if(tmpSta.isEmpty())
                {//还没有符号
                    tmpSta.push(str);
                }else{
                 //判读当前符号和临时栈栈顶符号的优先级
                    if(isHigh(tmpSta.peek(),str))
                    {
                        if(!str.equals(")"))
                        {
                            do{
                                //1在临时栈中找出小于当前优先级的操作符
                                //2压入当前读入操作符
                                rpn.push(tmpSta.peek());
                                tmpSta.pop();
                            }while(!tmpSta.isEmpty()&&(isHigh(tmpSta.peek(),str)));
                            
                            tmpSta.push(str);
                        }else{
                            //是)依次弹出临时栈的数据，直到(为止
                            while(!tmpSta.isEmpty()&&!tmpSta.peek().equals("("))
                            {
                                rpn.push(tmpSta.pop());
                            }
                            if((!tmpSta.empty())&&(tmpSta.peek().equals("(")))
                            {//弹出(
                                tmpSta.pop();
                            }
                        }
                    }else if(!isHigh(tmpSta.peek(),str)){
                        tmpSta.push(str);
                    }
                }
            }

        }
        while(!tmpSta.empty())
        {//把栈中剩余的操作符依次弹出
            rpn.push(tmpSta.pop());
        }
        StringBuilder st = new StringBuilder();
        for (String str : rpn) {
                st.append(str);
        }
        rpn.clear();
        return st.toString();
    }

    //分割(56+4)3*6+2=>(,56,+,4,
    private String[] split(String src) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder(src.length());
        for(char ch:src.toCharArray())
        {
            if(ch==\'+\'||ch==\'-\'||ch==\'*\'||ch==\'*\'||ch==\'/\'||ch==\'(\'||ch==\')\'||ch==\'%\')
            {
                sb.append(",");
                sb.append(ch);
                sb.append(",");
            }else{
                sb.append(ch);
            }
        }
        String string = sb.toString().replaceAll(",{2,}", ",");
        return string.split(",");
    }

    //比较操作符的优先级
    private boolean isHigh(String pop, String str) {
        if(str.equals(")"))
            return true;
        if(opLs.get(pop)==null||opLs.get(str)==null)
          return false;
        return opLs.get(pop)>=opLs.get(str);
            
    }

    //是否是数字
    public boolean isNum(String str) {
        for (char ch : str.toCharArray()) {
            if(ch==\'+\'||ch==\'-\'||ch==\'*\'||ch==\'*\'||ch==\'/\'||ch==\'(\'||ch==\')\'||ch==\'%\')
                return false;
        }
        return true;
    }

    //得到结果
    public FractionStack calculate() {
        String rpn = toRpn();
        Stack<FractionStack> res = new Stack<FractionStack>();
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for(char ch:rpn.toCharArray())
        { 
            if(ch==\'(\')
            {
                continue;
            }else if(ch>=\'0\'&&ch<=\'9\'||ch==\'.\'){
                sb.append(ch);
            }else if(ch==\')\')
            {
                FractionStack fs = new FractionStack();
                fs.setNumerator(Integer.parseInt(sb.toString()));
                fs.setDenominator(1);
                res.push(fs);
                sb = new StringBuilder();
            }else{
                 if(!res.empty())
                 {
                     FractionStack rear = res.pop();
                     FractionStack front = res.pop();
                     System.out.println("rear:"+rear.getRes());
                     System.out.println("front:"+front.getRes());
                     switch (ch) {
                    case \'+\':
                         res.push(fc.fracAdd(front, rear)); 
                        break;
                    case \'-\':
                        res.push(fc.fracSub(front, rear)); 
                        break;
                    case \'*\':
                        res.push(fc.fracMul(front, rear)); 
                        break;    
                    case \'/\':    
                        res.push(fc.fractDiv(front, rear)); 
                        break;
                     }
            }
            }
        }
        FractionStack result = res.pop();
        res.clear();
        return result;
    }
    /* 
    *计算生成题目的结果
    */
    public List<OutFileCal> GetExerciseRes(List<OutFileCal> caList){
        for(int i=0;i<caList.size();i++){
            String exe = caList.get(i).getCalExe();
            RPNCalculator analyer = new RPNCalculator(exe);
            String res = analyer.calculate().getRealRes();
            caList.get(i).setCalRes(res);
        }
        return caList;
    }
    
}

View Code

上面为逆波兰表达式转换过程和计算四则运算结果

package com.cal.mold;

public class FractionCal {
    //private FractionStack fs = new FractionStack();
    //分数加法
    public FractionStack fracAdd(FractionStack f1,FractionStack f2){
        FractionStack fs = new FractionStack();
        int first_numerator = f1.getNumerator();int first_denominator = f1.getDenominator();
        int second_numrator = f2.getNumerator();int second_denominator = f2.getDenominator();
        int denominator;
        int numerator;
        
        if(first_denominator==second_denominator)  //分母相同时加分子     
        {      
             denominator=first_denominator;      
             numerator=first_numerator+second_numrator;      
        }      
        else  //否则同分比较分子     
        {      
            denominator=first_denominator*second_denominator;      
            numerator=first_numerator*second_denominator+first_denominator*second_numrator;      
        }    
        int gcd = gcd(numerator,denominator);
        denominator = denominator / gcd;
        numerator = numerator / gcd;
        fs.setNumerator(numerator);
        fs.setDenominator(denominator);
        System.out.println("加法输出的结果是"+fs.getRes());
        return fs;      

    }
    //分数减法
    public FractionStack fracSub(FractionStack f1,FractionStack f2){
        FractionStack fs = new FractionStack();
        int first_numerator = f1.getNumerator();int first_denominator = f1.getDenominator();
        int second_numerator = f2.getNumerator();int second_denominator = f2.getDenominator();
        int denominator;
        int numerator;
        
        if(first_denominator==second_denominator)  //分母相同时加分子     
        {      
             denominator=first_denominator;      
             numerator=first_numerator-second_numerator;      
        }      
        else  //否则同分比较分子     
        {      
            denominator=first_denominator*second_denominator;      
            numerator=first_numerator*second_denominator-first_denominator*second_numerator;      
        }    
        int gcd = gcd(numerator,denominator);
        denominator = denominator / gcd;
        numerator = numerator / gcd;    
        fs.setNumerator(numerator);
        fs.setDenominator(denominator);
        System.out.println("减法输出的结果是"+fs.getRes());
        return fs;      

    }
    //分数乘法
    public FractionStack fracMul(FractionStack f1,FractionStack f2){
        FractionStack fs = new FractionStack();
        int first_numerator = f1.getNumerator();int first_denominator = f1.getDenominator();
        int second_numerator = f2.getNumerator();int second_denominator = f2.getDenominator();
        int denominator;
        int numerator;
        
        denominator=first_denominator*second_denominator;      
        numerator=first_numerator*second_numerator; 
          
        int gcd = gcd(numerator,denominator);
        denominator = denominator / gcd;
        numerator = numerator / gcd;    
        fs.setNumerator(numerator);
        fs.setDenominator(denominator);
        System.out.println("乘法输出的结果是"+fs.getRes());
        return fs;      

    }
    //分数除法
    public FractionStack fractDiv(FractionStack f1,FractionStack f2){
        FractionStack fs = new FractionStack();
        int first_numerator = f1.getNumerator();int first_denominator = f1.getDenominator();
        int second_numerator = f2.getNumerator();int second_denominator = f2.getDenominator();
        
        int denominator;
        int numerator;
        
        numerator = first_numerator*second_denominator;
        denominator = first_denominator*second_numerator;
                    
        int gcd = gcd(numerator,denominator);
        denominator = denominator / gcd;
        numerator = numerator / gcd;
        fs.setNumerator(numerator);
        fs.setDenominator(denominator);
        System.out.println("除法输出的结果是"+fs.getRes());
        return fs;     

    }
    //获取最大公约数
    static int gcd(int x,int y){
         int r;      
            while( y!= 0)      
            {      
                r = x%y;      
                x = y;      
                y = r;      
            }      
        return x;        
    }
}

View Code

上面为分数计算器

    /* 
    *生成一道四则远算
    *不重复随机数
    */
    public String GenerateCalExe(int len,int range){ 
        String CalExe = "";
        Random r = new Random();
        FractionStack fs = new FractionStack();
        for(int i=0;i<len;i++){
            fs.setNumerator(r.nextInt(range)+1);
            fs.setDenominator(r.nextInt(range)+1);
            if(i==0)
                CalExe += Integer.toString(r.nextInt(range)+1);
            else{
                if(i%2 != 0)
                    CalExe += GetSign();
                else
                    CalExe += r.nextBoolean() ? Integer.toString(r.nextInt(range)+1) : "("+fs.getRes()+")";
            }
        }
        return CalExe;
    }
    /* 
    *算数符号出现频率控制
    */  
    public String GetSign(){
        Random r = new Random();
        int n = r.nextInt(10);
        if(n<5)
            return sign[0];
        if(n>=5&&n<8)
            return sign[1];
        else
            return sign[2];
    }

View Code

上面在随机生成四则运算时保证随机数不重复，可以避免重复。

六、运行测试

1.生成题库

2.题目结果验证

七、PSD统计

PSP2.1	Personal Software Process Stages	Time Senior Student	Time
Planning	计划	12	12
· Estimate	估计这个任务需要多少时间	12	12
Development	开发	6	6
· Analysis	需求分析 (包括学习新技术)	6	10
· Design Spec	生成设计文档	5	6
· Design Review	设计复审	4	6
· Coding Standard	代码规范	3	3
· Design	具体设计	10	12
· Coding	具体编码	36	21
· Code Review	代码复审	7	9
· Test	测试（自我测试，修改代码，提交修改）	13	21
Reporting	报告	9	6
	测试报告	3	2
	计算工作量	2	1
	并提出过程改进计划	3	3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

八、作业小结

　　1.题目生成难度还有待开发

　　2.四则运算题目出题关键代码部分还可以改进，括号增减更加灵活

　　3.查重仍待开发 ，实现查重功能

　　4.文件流读写代码冗余程度较大

GitHub：https://github.com/Umbrellazc/JavaCalculation