initial commit

This commit is contained in:
nihonium 2022-09-01 16:37:41 +03:00
commit 2369f801af
Signed by: nihonium
GPG key ID: 0251623741027CFC
76 changed files with 4273 additions and 0 deletions

View file

@ -0,0 +1,189 @@
#pragma once
#include <cmath>
#include <iostream>
struct Complex {
float re;
float im;
};
// Передаёмм аргументы через ссылки
// В данном случае можно было передавать по значению
// (так как Complex имеет малый размер)
// Но в общем случае лучше для структур лучше
// всегда использовать ссылки
Complex operator+(const Complex& a, const Complex& b) {
Complex result = {a.re + b.re, a.im + b.im};
return result;
}
Complex operator-(const Complex& a, const Complex& b) {
Complex result = {a.re - b.re, a.im - b.im};
return result;
}
Complex operator*(const Complex& a, const Complex& b) {
Complex result = {a.re * b.re - a.im * b.im, a.re * b.im + a.im * b.re};
return result;
}
Complex operator/(const Complex& a, const Complex& b) {
float b_squared = b.re * b.re + b.im * b.im;
Complex result;
result.re = (a.re * b.re + a.im * b.im) / b_squared;
result.im = (a.im * b.re - a.re * b.im) / b_squared;
return result;
}
Complex& operator+=(Complex &a, const Complex &b) {
a.re += b.re;
a.im += b.im;
return a;
}
// Унарный оператор -
// То есть если z - комплексное число x + iy, то -z = - x - iy
Complex operator-(const Complex& a) {
Complex result;
result.re = -a.re;
result.im = -a.im;
return result;
}
// Унарный оператор +
// Ничего не меняет
Complex operator+(const Complex& a) {
Complex result = a;
return result;
}
// Унарный оператор *
// То есть если z - комплексное число x + iy, то *z = x - iy
// Оператор сопряжения
Complex operator*(const Complex& a) {
Complex result;
result.re = a.re;
result.im = -a.im;
return result;
}
// Число + комплексное число (в таком порядке)
Complex operator+(float a, const Complex& b) {
Complex result = b;
result.re += a;
return result;
}
// Комплексное число + число
Complex operator+(const Complex& a, float b) {
Complex result = a;
result.re += b;
return result;
}
// Число - комплексное число (в таком порядке)
Complex operator-(float a, const Complex& b) {
Complex result = -b;
result.re += a;
return result;
}
// Комплексное число - число
Complex operator-(const Complex& a, float b) {
Complex result = a;
result.re -= b;
return result;
}
// Комплексное число * число
Complex operator*(const Complex& a, float b) {
Complex result = a;
result.re *= b;
result.im *= b;
return result;
}
// Число * комплексное число
Complex operator*(float a, const Complex& b) {
Complex result = b;
result.re *= a;
result.im *= a;
return result;
}
// Комплексное число / число
Complex operator/(const Complex& a, float b) {
Complex result = a;
result.re /= b;
result.im /= b;
return result;
}
// Число / комплексное число
Complex operator/(float a, const Complex& b) {
float b_squared = b.re * b.re + b.im * b.im;
return (a * (*b)) / b_squared;
}
// Перегружаем оператор<< между типами
// std::ostream (такой тип имеет std::cout) и Complex
// Обратите внимание, что мы возвращаем ссылку на ostream
// Таким образом результатом выражения cout << a будет cout
// Поэтому можно делать так: cout << a << b << c ...
std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Complex& a) {
if (a.re != 0)
out << a.re;
if (a.im > 0) {
if (a.im != 1.0)
out << " + " << a.im << "i";
else
out << " + i";
}
else if (a.im < 0) {
if (a.im != -1.0)
out << " - " << -a.im << "i";
else
out << " - i";
}
return out;
}
std::istream& operator>>(std::istream& in, Complex& c) {
in >> c.re >> c.im;
return in;
}
float abs(const Complex& a) {
return sqrtf(a.re * a.re + a.im * a.im);
}
Complex exp(const Complex& a) {
Complex result;
result.re = expf(a.re) * cosf(a.im);
result.im = expf(a.re) * sinf(a.im);
return result;
}
Complex sin(const Complex& a) {
Complex result;
result.re = sinf(a.re) * coshf(a.im);
result.im = cosf(a.re) * sinhf(a.im);
return result;
}
Complex cos(const Complex& a) {
Complex result;
result.re = cosf(a.re) * coshf(a.im);
result.im = sinf(a.re) * sinhf(a.im);
return result;
}

View file

@ -0,0 +1,56 @@
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include "complex.h"
using namespace std;
// В этой программе мы рисуем в картинку комплексную функцию,
// которая задаётся в функции func
struct Color {
unsigned char r, g, b;
};
Complex func(Complex z) {
Complex f = 100/(z - 1)*exp(z);
f.re = fabs(f.re);
f.im = fabs(f.im);
if (f.re > 255)
f.re = 255;
if (f.im > 255)
f.im = 255;
return f;
}
int main() {
int width = 800, height = 800;
float x0 = -2.0f, x1 = 2.0f;
float y0 = -2.0f, y1 = 2.0f;
// Выделяем память под пиксели
Color* data = (Color*)malloc(sizeof(Color) * width * height);
// data - это массив цветов размером width * height
// Задаём значения этого массива так, чтобы
// реальная часть функции func соответствовала зелёному цвету,
// а мнимая часть -- синей компоненте цвета
for (int j = 0; j < height; j++) {
for (int i = 0; i < width; i++) {
Complex z = {x0 + (x1-x0) / width * i, y0 + (y1-y0) / width * j};
Complex f = func(z);
data[i + width * j].r = 0;
data[i + width * j].g = f.re;
data[i + width * j].b = f.im;
}
}
// Сохраняем массив цветов data как картинку в формате .ppm
FILE* file = fopen("complex_image.ppm", "wb");
fprintf(file, "P6\n%d %d\n255\n", width, height);
fwrite(data, sizeof(Color), height * width, file);
fclose(file);
// Освобождаем память
free(data);
}

View file

@ -0,0 +1,63 @@
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include "complex.h"
using namespace std;
// Это программа создаёт анимацию (набор картинок)
// которая задаётся как меняющееся во времени
// комплексная функция (описана в функции func)
struct Color {
unsigned char r, g, b;
};
Complex func(Complex z, int time) {
Complex f = 100/(z - (0.02f*time))*exp(z*sin(z));
f.re = fabs(f.re);
f.im = fabs(f.im);
if (f.re > 255)
f.re = 255;
if (f.im > 255)
f.im = 255;
return f;
}
int main() {
int width = 800, height = 800;
float x0 = -2.0f, x1 = 2.0f;
float y0 = -2.0f, y1 = 2.0f;
Color* data = (Color*)malloc(sizeof(Color) * width * height);
// Повторяем 200 раз
int max_time_steps = 200;
for (int time = 0; time < max_time_steps; time++)
{
// Задаём изображение в массиве data
for (int j = 0; j < height; j++)
{
for (int i = 0; i < width; i++)
{
Complex z = {x0 + (x1-x0) / width * i, y0 + (y1-y0) / width * j};
Complex f = func(z, time);
data[i + width * j].r = 0;
data[i + width * j].g = f.re;
data[i + width * j].b = f.im;
}
}
// Создаём в строке filename имя изображения
// Папка animation должна существовать!
char filename[100];
sprintf(filename, "animation/complex_%03d.ppm", time);
// Сохраняем изображение в картинке по имени filename
FILE* file = fopen(filename, "wb");
fprintf(file, "P6\n%d %d\n255\n", width, height);
fwrite(data, sizeof(Color), height * width, file);
fclose(file);
}
free(data);
}

View file

@ -0,0 +1,38 @@
#include <iostream>
#include "complex.h"
using namespace std;
// Тут мы тестируем нашу реализацию комплексных чисел
int main() {
Complex a;
Complex b;
cin >> a >> b;
cout << "a = " << a << endl
<< "b = " << b << endl
<< "a + b = " << a + b << endl
<< "a - b = " << a - b << endl
<< "a * b = " << a * b << endl
<< "a / b = " << a / b << endl
<< "-a = " << -a << endl
<< "+a = " << +a << endl
<< "*a = " << *a << endl
<< "a + 5 = " << a + 5 << endl
<< "5 + a = " << 5 + a << endl
<< "a * 5 = " << a * 5 << endl
<< "5 * a = " << 5 * a << endl
<< "Exp(a) = " << exp(a) << endl
<< "Sin(a) = " << sin(a) << endl
<< "Cos(a) = " << cos(a) << endl
<< "Exp((a + b) / a) * Cos(a - b) = " << exp((a + b) / a) * cos(a - b) << endl;
a += b;
cout << "a += b; a = " << a << endl;
// Оператор = мы не перегружали, но это всё равно работает
b = a;
cout << "b = a; b = " << b << endl;
}

Binary file not shown.

View file

@ -0,0 +1,160 @@
\documentclass{article}
\usepackage[utf8x]{inputenc}
\usepackage{ucs}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{amsfonts}
\usepackage{marvosym}
\usepackage{wasysym}
\usepackage{upgreek}
\usepackage[english,russian]{babel}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{float}
\usepackage{textcomp}
\usepackage{hyperref}
\usepackage{geometry}
\geometry{left=2cm}
\geometry{right=1.5cm}
\geometry{top=1cm}
\geometry{bottom=2cm}
\usepackage{tikz}
\usepackage{ccaption}
\usepackage{multicol}
\usepackage{listings}
%\setlength{\columnsep}{1.5cm}
%\setlength{\columnseprule}{0.2pt}
\usepackage{colortbl,graphicx,tikz}
\definecolor{X}{rgb}{.5,.5,.5}
\title{ДЗ. Работа с изображениями в формате \texttt{.ppm}}
\date{}
\begin{document}
\pagenumbering{gobble}
\lstset{
language=C++, % choose the language of the code
basicstyle=\linespread{1.1}\ttfamily,
columns=fixed,
fontadjust=true,
basewidth=0.5em,
keywordstyle=\color{blue}\bfseries,
commentstyle=\color{gray},
stringstyle=\ttfamily\color{orange!50!black},
showstringspaces=false,
%numbers=false, % where to put the line-numbers
numbersep=5pt,
numberstyle=\tiny\color{black},
numberfirstline=true,
stepnumber=1, % the step between two line-numbers.
numbersep=10pt, % how far the line-numbers are from the code
backgroundcolor=\color{white}, % choose the background color. You must add \usepackage{color}
showstringspaces=false, % underline spaces within strings
captionpos=b, % sets the caption-position to bottom
breaklines=true, % sets automatic line breaking
breakatwhitespace=true, % sets if automatic breaks should only happen at whitespace
xleftmargin=.2in,
extendedchars=\true,
keepspaces = true,
}
\lstset{literate=%
*{0}{{{\color{red!20!violet}0}}}1
{1}{{{\color{red!20!violet}1}}}1
{2}{{{\color{red!20!violet}2}}}1
{3}{{{\color{red!20!violet}3}}}1
{4}{{{\color{red!20!violet}4}}}1
{5}{{{\color{red!20!violet}5}}}1
{6}{{{\color{red!20!violet}6}}}1
{7}{{{\color{red!20!violet}7}}}1
{8}{{{\color{red!20!violet}8}}}1
{9}{{{\color{red!20!violet}9}}}1
}
\title{Семинар \#1: Ссылки и перегрузка операторов. Домашнее задание.\vspace{-5ex}}\date{}\maketitle
\subsection*{Пространство имён:}
\begin{itemize}
\item Создайте пространство имён по имени \texttt{myspace}. В этом пространстве имён создайте функцию \\
\texttt{void print\_n\_times(char str[], int n = 10)}, которая будет печатать строку \texttt{str} \texttt{n} раз. Для печати используйте \texttt{std::cout} из библиотеки \texttt{iostream}. Вызовите эту функцию из \texttt{main}.
\end{itemize}
\subsection*{Ссылки:}
\begin{itemize}
\item Напишите функцию \texttt{cube}, которая будет принимать одно число типа \texttt{int} и возводить его в куб. Используйте ссылки. Вызовите эту функцию из функции \texttt{main}.
\item Напишите функцию \texttt{void count\_letters(char str[], int\& n\_letters, int\& n\_digits, int\& n\_other)}, которая будет принимать на вход строку \texttt{str} и подсчитывать число букв и цифр в этой строке. Количество букв нужно записать в переменную \texttt{n\_letters}, количество цифр -- в переменную \texttt{n\_digits}, а количество остальных символов -- в переменную \texttt{n\_other}. Вызвать эту функцию из функции \texttt{main}.
\end{itemize}
\subsection*{Перегрузка операций:}
В файлах \texttt{code/complex.h} и \texttt{code/complex.cpp} лежит реализация комплексного числа с перегруженными операторами. Используйте его в качестве примера для решения задач этого раздела:
\begin{itemize}
\item Создайте структуру \texttt{Vector3f} - вектор в трёхмерном пространстве с полями \texttt{x, y, z} типа \texttt{float} в качестве координат. Перегрузите следующие операторы для работы с вектором. Для передачи вектора в функции используте ссылки и, там где возможно, модификатор \texttt{const}.
\begin{itemize}
\item Сложение векторов (\texttt{+})
\item Вычитание (\texttt{-})
\item Умножение вектора на число типа \texttt{float} (число \texttt{*} вектор и вектор \texttt{*} число)
\item Деление вектора на число типа \texttt{float} (вектор \texttt{/} число)
\item Скалярное произведение (\texttt{*})
\item Унарный \texttt{-}
\item Унарный \texttt{+}
\item Проверка на равенство \texttt{==} (должна возвращать тип \texttt{bool})
\item Проверка на неравенство \texttt{!=} (должна возвращать тип \texttt{bool})
\item Операторы \texttt{+=} и \texttt{-=} (вектор \texttt{+=} вектор)
\item Операторы \texttt{*=} и \texttt{/=} (вектор \texttt{*=} число)
\item Оператор вывода \texttt{ostream >{}>} вектор. Выводите вектор в виде \texttt{(x, y, z)}.
\item Оператор ввода \texttt{istream <{}<} вектор
\item Функция \texttt{float squared\_norm(const Vector3f\& a)}, которая вычисляет квадрат нормы вектора.
\item Функция \texttt{float norm(const Vector3f\& a)}, которая вычисляет норму вектора.
\item Функция \texttt{void normalize(Vector3f\& a)}, которая нормализует вектор \texttt{a}.
\end{itemize}
\item Поместите весь ваш код в отдельный файл \texttt{vector3f.h} и подключите к файлу \texttt{main.cpp}.
\item Протестируйте ваши функции:
\begin{lstlisting}
#include <iostream>
#include "vector3f.h"
using namespace std;
int main() {
Vector3f a = {1.0, 2.0, -2.0};
Vector3f b = {4.0, -1.0, 3.0};
cout << "a = " << a << endl << "b = " << b << endl;
cout << "a + b = " << a + b << endl;
cout << "-a = " << -a << endl;
cout << "Scalar product of a and b = " << a * b << endl;
a /= 5;
cout << "a after a /= 5;" << a << endl
normalize(b);
cout << "Normalized b:" << b << endl
a += b;
cout << "a after a+= b;" << a << endl;
}
\end{lstlisting}
\end{itemize}
\subsection*{Задача об убегающей точке}
\begin{itemize}
\item Предположим, что у нас есть комплексная функция $f(z) = z^2$. Выберем некоторое комплексное число $z_0$ и будем проводить следующие итерации:
\begin{equation}
\label{fractalseq}
z_1 = f(z_0)\quad z_2 = f(z_1)\quad ...\quad z_{k+1} = f(z_k)\quad ...
\end{equation}
В зависимости от выбора точки $z_0$ эта последовательность либо разойдётся, либо останется в некоторой ограниченной области. Будем называть точку $z_0$ убегающей, если $z_k \rightarrow \infty$ при $k \rightarrow \infty$. Найдите область неубегания для функции $z^2$, т.е. множество всех начальных значений $z_0$, при которых последовательность (\ref{fractalseq}) остаётся ограниченной (это можно сделать в уме). \\
\item \textbf{Julia:} Для функции $f(z) = z^2$ эта область тривиальна, но всё становится сложней для функции вида $f(z) = z^2 + c$, где $c$ -- некоторое комплексное число. Численно найдите область неубегания для функций такого вида. Для этого создайте изображение размера 800x800, покрывающую область \texttt{[-2:2]x[-2:2]} на комплексной плоскости. Для каждой точки этой плоскости проведите $N \approx 20$ итераций и, в зависимости от результата, окрасьте пиксель в соответствующий цвет (цвет можно подобрать самим, он должен быть пропорционален значению $z_N$ - меняться от яркого если $z_N$ мало и до черного если $z_N$ большое). Используйте класс Complex и перегруженные операторы. Пример работы с изображениями в формате \texttt{ppm} можно посмотреть в файле \texttt{complex\_image.cpp}. Программа должна создавать файл \texttt{julia.ppm}.
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.7]{../images/complexplane.png}
\end{center}
\item Нарисуте изображение для $c = -0.4 + 0.6i$;\quad $c = -0.70 - 0.38i$;\quad $c = -0.80 + 0.16i$\quad и\quad $c = 0.280 + 0.011i$.
\item Добавьте параметры командной строки: 2 вещественных числа, соответствующие комплексному числу $c$, и целое число итераций $N$.
\item \textbf{Mandelbrot:} Зафиксируем теперь $z_0 = 0$ и будем менять $c$. Численно найдите все параметры $c$, для которых точка $z_0$ не является убегающей. Для этого создайте изображение размера 800x800, покрывающую область \texttt{[-2:2]x[-2:2]} возможных значений $c$ на комплексной плоскости. Программа должна создавать файл \texttt{mandelbrot.ppm}.
\item \textbf{Анимация:} Программа \texttt{complex\_movie.cpp} создаёт множество изображений и сохраняет их в папку \texttt{animation} (если у вас нет такой папки -- создайте её). Эти изображения представляют собой отдельные кадры будущей анимации. Чтобы их объединить в одно видео можно использовать программу ffmpeg (Нужно скачать тут: \href{https://www.ffmpeg.org/}{www.ffmpeg.org} и изменить переменную среды \texttt{PATH} в настройках Windows или Linux). После этого можно будет объединить все изображения в одно видео такой командой:
\begin{verbatim}
ffmpeg -r 60 -i animation/complex_%03d.ppm complex_movie.mp4
\end{verbatim}
Создайте анимацию из изображений множеств Julia при $c$ линейно меняющемся от $(-1.5 - 0.5i)$ до $i$.
\end{itemize}
\end{document}