基于Python实现的四则运算生成程序

Github项目地址：传送门

小组成员：黄晓彬（代码实现） 黄钰城（代码审查）

需求：

1. 使用 -n 参数控制生成题目的个数。

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。

3. 生成的题目中计算过程不能产生负数，也就是说算术表达式中如果存在形如e₁ − e₂的子表达式，那么e₁ ≥ e₂。

4. 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。

5. 每道题目中出现的运算符个数不超过3个。

6. 程序一次运行生成的题目不能重复，

生成的题目存入执行程序的当前目录下的Exercises.txt文件。

7. 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。

8. 程序应能支持一万道题目的生成。

9. 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，输入参数如下：

Myapp.exe -e <exercisefile>.txt -a <answerfile>.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)

其中“:”后面的数字5表示对/错的题目的数量，括号内的是对/错题目的编号。为简单起见，假设输入的题目都是按照顺序编号的符合规范的题目。（未实现）

PSP表格：

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估耗时（分钟）	实际耗时（分钟）
Planning	计划	30	30
· Estimate	· 估计这个任务需要多少时间	30	60
Development	开发	480	520
· Analysis	· 需求分析 (包括学习新技术)	120	200
· Design Spec	· 生成设计文档	60	70
· Design Review	· 设计复审 (和同事审核设计文档)	30	60
· Coding Standard	· 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范)	30	30
· Design	· 具体设计	60	60
· Coding	· 具体编码	600	700
· Code Review	· 代码复审	500	700
· Test	· 测试（自我测试，修改代码，提交修改）	200	300
Reporting	报告	60	30
· Test Report	· 测试报告	30	30
· Size Measurement	· 计算工作量	60	30
· Postmortem & Process Improvement Plan	· 事后总结, 并提出过程改进计划	30	40
合计		2230	2860

效能分析：算法运行过程较慢，没有使用数据结构进行优化，并且还大量使用库函数，导致结果运行缓慢

设计实现过程：接收命令行参数-->获取数值和符号列表-->计算结果并生成题目和答案列表-->存入两个txt文件

函数	功能
get_num_sym(i,r)	获取数值列表和符号列表
calculate(a,b,s)	计算单元，a，b是数，s是符号
f(f)	分数的转换
writeF(slist,num,hb)	生成算术表达式
getF(n,r)	用于生成题目和答案列表
save(fname, d)	用于写入文件
main()	主函数

代码说明：

用get_num_sym(i,r)函数循环遍历以获得随机分数列表和符号列表

def get_num_sym(i,r):#获取数值列表和符号列表
    nlist=[]#数值列表
    slist=[]#符号列表
    hb=0#判断怎么加括号
    l=0#判断是否是减数运算
    for m in range(i+1):#根据i的值遍历输出数值列表
        nlist.append(Fraction(random.randint(1, r), random.randint(1, r)))
    for x in range(i):
        sy=random.choice(['+','-','×','÷'])
        if sy=='+'or sy=='-':
            hb +=10**(i-x-1)
        else :
            hb += 2 * (10 ** (i - x - 1))
        slist.append(sy)
        if sy=='-':
            l=1
    return nlist,slist,hb,i,l

把分数转换为整数、真分数和带分数

def f(f):#分数的转换
    a=f.numerator
    b=f.denominator
    if a%b==0:#为整数
        return '%d'%(a/b)
    elif a<b:#为真分数
        return '%d%s%d' % (a,'/',b)
    else:#为带分数
        c=int(a/b)
        a = a - c * b
        return '%d%s%d%s%d' % (c,'’',a,'/',b)

用于四则运算

def calculate(a,b,s):#计算单元，a，b是数，s是符号
    ans=0
    if s=='+':#加法运算
        ans=a+b
    elif s=='-':#减法运算
        a,b=max(a,b),min(a,b)#防止结果为负数
        ans=a-b
    elif s=='×':#乘法运算
        ans=a*b
    else:ans=a/b#除法运算
    return ans

生成算术表达式

def writeF(slist,num,hb):#生成算术表达式
    global j,k
    s=''
    if hb>100:#符号数为3
        if j==1 and k==0:
            s = '%s %s (%s %s %s) %s %s = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]),slist[1], f(num[2]), slist[2], f(num[3]))
        elif j==1 and k==1:
            s = '%s %s (%s %s (%s %s %s)) = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]),slist[1], f(num[2]), slist[2], f(num[3]))
        elif j==0 and k==1:
            s = '%s %s (%s %s %s %s %s) = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]),slist[1], f(num[2]), slist[2], f(num[3]))
        if hb == 112 or hb ==212:
            s = '(%s %s %s %s %s) %s %s = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]),slist[1], f(num[2]), slist[2], f(num[3]))
        elif hb == 121 or hb ==122:
            s = '(%s %s %s) %s %s %s %s = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]),slist[1], f(num[2]), slist[2], f(num[3]))
        else:
            s = '%s %s %s %s %s %s %s = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]),slist[1], f(num[2]), slist[2], f(num[3]))
    elif hb>10:#符号数为2
        if j==1 :
            s = '%s %s (%s %s %s) = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]), slist[1], f(num[2]))
        if hb == 12:
            s = '(%s %s %s)%s %s = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]), slist[1], f(num[2]))
        else:
            s = '%s %s %s %s %s = ' % (f(num[0]), slist[0],
            f(num[1]), slist[1], f(num[2]))
    else :#符号数为1
        s ='%s %s %s = ' % (f(num[0]),slist[0],f(num[1]))
    return s

生成题目和答案列表

def getF(n,r):#用于生成题目和答案列表
    E,A,E1,E2=[],[],[],[]
    global j,k
    x=1
    while x<n+1:#循环生成题目和答案列表
        i=random.randint(1, 3)#随机获取符号数目
        num,slist,hb,i,l=get_num_sym(i,r)
        num1=num
        legal = True
        if l==1: #用于防止除法运算出现负数
            if  num[0]<num[1]:
                num1[0],num1[1]=num[1],num[0]
            if i>=2 and calculate(num[0],num[1],slist[0])<num[2]:
                num1[0],num1[1],num1[2]=num[2],num[0],num[1]
                j=1
            if i>=3 and calculate(calculate(num[0],num[1],slist[0]),num[2],slist[1])<num[3]:
                num1[0],num1[1],num1[2],num1[3]=num[3],num[0],num[1],num[2]
                k=1
        ans=num1[0]
        for y in range(i):
            cal=calculate(ans,num[y+1],slist[y])
            if cal>=0:#判断算式是否合法
                ans=cal
            else:
                legal=False
                break
        if legal:
            try:
                num=A.index(ans)#第一个答案的索引
            except ValueError as e:#可以写入
                A.append(ans)
                E1.append(slist)
                E2.append(num1)
                E.append('%d. %s'%(x,writeF(slist,num1,hb)))
                x+=1
        else:pass
    return E,A

写入txt文件

def save(fname, d):#fname为写入文件的路径，d为要写入的数据列表.
    file = open(fname,'a')
    file.seek(0)
    file.truncate() #清空
    for i in range(len(d)):#循环写入文件fname
        s = str(d[i]).replace('[','').replace(']','')
        s = s.replace("'",'').replace(',','') +'\n'
        file.write(s)
 
    file.close()
    print('%s文件保存成功'%fname)

主函数（包括命令行参数的实现）

def main():#主函数
    parser = argparse.ArgumentParser(description="this is auto calculator")#命令行参数控制
    parser.add_argument('-n',help='控制生成题目的个数',type=int)
    parser.add_argument('-r',help='控制题目中数值（自然数、真分数和真分数分母）的范围',type=int)
    args = parser.parse_args()
    if args.n:
        n=args.n
        print('n值为%d'%n)
    if args.r:
        r=args.r
        print('r值为%d'%r)
        E, A=getF(n,r)
        for x in range(n):#循环生成答案列表
            A[x]='%d. %s'%(x+1,f(A[x]))
        save('Exercises.txt',E)
        save('Answers.txt',A)
 
    end = time.clock()
    print('运行时间: %s '%(end-start))
 
if __name__ == '__main__':
    main()

测试运行：

一万道题目生成：

 

项目小结：由于我们两个Python水平有限，花了几天都想不出到底要怎么写这个程序，最后还是问了同学加上网看别人写的思路，通过先全部随机生成分数（分数包括了自然数），在用函数区分自然数、真分数和带分数，再用函数根据条件的不同生成不同的表达式，并通过单步循环计算出结果，最后再根据情况加括号（其实是前面忘了，后面为了这个花了很长时间），才完成了这个自动生成程序。通过这次编程，我深刻感受到自己写Python的技术有待提高，代码让钰诚看得一头包，bug更是跟修不完似的。两个人的编程和一个人的还是有很大的不同，意见的不统一，想法的不同都会让我们产生分歧甚至是争执，这种时候良好的沟通才是最重要的。