[프로그래머스 코딩테스트 연습_Level 2] 우박수열 정적분

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❓ 문제 설명

콜라츠 추측이란 로타르 콜라츠(Lothar Collatz)가 1937년에 제기한 추측으로 모든 자연수 n에 대해 다음 작업을 반복하면 항상 1로 만들 수 있다는 추측입니다.

1-1. 입력된 수가 짝수라면 2로 나눕니다.
1-2. 입력된 수가 홀수라면 3을 곱하고 1을 더합니다.
2. 결과로 나온 수가 1보다 크다면 1번 작업을 반복합니다.

예를 들어 주어진 수가 5 라면 5 ⇒ 16 ⇒ 8 ⇒ 4 ⇒2 ⇒ 1 이 되어 총 5번 만에 1이 됩니다.

수가 커졌다 작아지기를 반복하는 모습이 비구름에서 빗방울이 오르락내리락하며 우박이 되는 모습과 비슷하다고 하여 우박수 또는 우박수열로 불리기도 합니다. 현재 이 추측이 참인지 거짓인지 증명되지 않았지만 약 1해까지의 수에서 반례가 없음이 밝혀져 있습니다.

은지는 우박수열을 좌표 평면 위에 꺾은선 그래프로 나타내보려고 합니다. 초항이 K인 우박수열이 있다면, x = 0일 때 y = K이고 다음 우박수는 x = 1에 표시합니다. 이런 식으로 우박수가 1이 될 때까지 점들을 찍고 인접한 점들끼리 직선으로 연결하면 다음과 같이 꺾은선 그래프를 만들 수 있습니다.

https://school.programmers.co.kr/learn/courses/30/lessons/134239

은지는 이렇게 만든 꺾은선 그래프를 정적분 해보고 싶어 졌습니다. x에 대한 어떤 범위 [a, b]가 주어진다면 이 범위에 대한 정적분 결과는 꺾은선 그래프와 x = a, x = b, y = 0으로 둘러 쌓인 공간의 면적과 같습니다. 은지는 이것을 우박수열 정적분이라고 정의하였고 다양한 구간에 대해서 우박수열 정적분을 해보려고 합니다.

단, 우박수열 그래프의 가로축 길이를 미리 알 수 없기 때문에 구간의 시작은 음이 아닌 정수, 구간의 끝은 양이 아닌 정수로 표현합니다. 이는 각각 꺾은선 그래프가 시작하는 점과 끝나는 점의 x좌표에 대한 상대적인 오프셋을 의미합니다.

예를 들어, 5를 초항으로 하는 우박수열은 5 ⇒ 16 ⇒ 8 ⇒ 4 ⇒ 2 ⇒ 1입니다. 이를 좌표 평면으로 옮기면 (0, 5), (1, 16), (2, 8), (3, 4), (4, 2), (5, 1)에 점이 찍히고 점들을 연결하면 꺾은선 그래프가 나옵니다. 이를 [0,0] 구간에 대해 정적분 한다면 전체 구간에 대한 정적분이며, [1,-2] 구간에 대해 정적분 한다면 1 ≤ x ≤ 3인 구간에 대한 정적분입니다.

우박수의 초항 k와, 정적분을 구하는 구간들의 목록 ranges가 주어졌을 때 정적분의 결과 목록을 return 하도록 solution을 완성해 주세요. 단, 주어진 구간의 시작점이 끝점보다 커서 유효하지 않은 구간이 주어질 수 있으며 이때의 정적분 결과는 -1로 정의합니다.

❓ 제한 조건

• 2 ≤ k ≤ 10,000
• 1 ≤ ranges의 길이 ≤ 10,000
  • ranges의 원소는 [a, b] 형식이며 0 ≤ a < 200, -200 < b ≤ 0 입니다.
• 주어진 모든 입력에 대해 정적분의 결과는 227을 넘지 않습니다.
• 본 문제는 정답에 실수형이 포함되는 문제입니다. 입출력 예의 소수 부분. 0이 코드 실행 버튼 클릭 후 나타나는 결괏값, 기댓값 표시와 다를 수 있습니다.

❗️ 입출력 예

k	ranges	result
5	[[0,0],[0,-1],[2,-3],[3,-3]]	[33.0,31.5,0.0,-1.0]

입출력 예 #1
5로 시작하는 우박수열은 5 ⇒ 16 ⇒ 8 ⇒ 4 ⇒ 2 ⇒ 1입니다. 그래프에서 꺾이는 지점을 경계로 5개의 구역으로 나눠보면 각각의 구간 넓이는 10.5, 12, 6, 3, 1.5입니다.

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💡 풀이

📌 기본 아이디어

• 콜라츠 추측
  • 수가 1이 될 때까지 반복
    • while 반복문을 통해 특정 조건(k==1)이 될 때까지 반복
    • 조건문을 통해 k가 짝수와 홀수일 경우 각각 다르게 연산
• 우박수열을 좌표 평면 위에 꺾은선 그래프
  • 좌표 (x, y)는 x는 연산을 진행한 횟수, y는 해당 연산 후의 수
    • 따라서 앞서 진행한 반복문에서 연산 후의 수를 y_lst로 순차적 저장
• 꺾은선 그래프를 정적분
  • 단, 우박수열 그래프의 가로축 길이를 미리 알 수 없기 때문에 구간의 시작은 음이 아닌 정수, 구간의 끝은 양이 아닌 정수로 표현합니다. 이는 각각 꺾은선 그래프가 시작하는 점과 끝나는 점의 x좌표에 대한 상대적인 오프셋을 의미
    • 구간의 시작은 입력값 그대로 인식
    • 구간의 끝은 (가로축의 길이 + 입력값 - 1)로 인식
  • 단, 주어진 구간의 시작점이 끝점보다 커서 유효하지 않은 구간이 주어질 수 있으며 이때의 정적분 결과는 -1로 정의
    • 구간의 시작과 끝 비교 필요 ⇒ 쓸모없는 연산을 줄이기 위해 선 비교 후 연산
      • 구간의 시작 > 구간 끝 : -1
      • 구간의 시작 == 구간 끝 : 0
      • 구간의 시작 < 구간 끝 : 연산 진행
  • 정적분
    • 우박수열을 꺾은선 그래프로 나타낸 것을 적분을 진행해주기 위해 구간을 나누어 진행
    • 이때, x는 연산을 진행한 횟수로 정수값을 가지기 때문에 구간은 [0,1], [1,2]...로 나눌 수 있음
    • 각각 구간에서 일차 함수의 모양을 가지므로 간단한 연산 진행을 위해 정적분 공식이 아닌 사다리꼴 넓이 공식을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있음 (반복문을 통해 구간 내 사다리꼴 합계 구함)

 

📌 python code

def solution(k, ranges):
    answer = []
    y_lst = [k] # 초기 k값
    
    # 콜라츠 추측
    while k != 1 :
        if k % 2 == 0 :
            k = k//2
        else :
            k = k*3 + 1
        y_lst.append(k)
    
    for r in ranges :
        # 구간 시작점
        a = r[0]
        # 구간 끝점
        b = len(y_lst)+r[1]-1
        
        # 구간 시작점과 끝점 비교
        # 값이 실수형으로 요구되어 -1.0과 0.0 을 넣어줌
        if a > b :
            answer.append(-1.0)
        elif a == b :
            answer.append(0.0)
        else :
            n = 0 # 사다리꼴 넓이 합계
            for A in range(a, b) :
                n += 0.5*(y_lst[A] + y_lst[A+1])
            answer.append(n)
            
    return answer