آمادگی المپیاد کامپیوتر

مسئله

جناب خان که با کسب و کار لبوی خود میلیاردر شده است، می‌خواهد رئیس جمهور شود! در کشور او که از چندین ایالت تشکیل شده است، از روشی با عنوان هیئت انتخاب (یا هیئت الکترال) برای انتخاب رئیس جمهور استفاده می‌شود. در چنین ساختاری شمارش رأی در هر ایالت به صورت مستقل انجام می‌شود و هر ایالت متناسب با جمعیت خود تعدادی نماینده در هیئت انتخاب کنندگان رئیس جمهور دارد. تمام نمایندگان یک ایالت در نهایت به نامزدی رأی می‌دهند که در آن ایالت اکثریت آرا را کسب کرده باشد. اگر نامزدها رأی برابر داشته باشند، هر ایالت قوانین خاص خود برای انتخاب نهایی را دارد. در نهایت رئیس جمهور کسی است که بیش از نصف مجموع رأی‌های هیئت انتخاب را از آن خود کند.

مسئله

پل اردوش (اردیش - Paul Erdős) ریاضیدان مشهور و برجسته‌ی قرن بیستم است که تا پایان عمر خود تلاش گسترده‌ای برای انتشار مقالات علمی داشت و همکاری با وی در انتشار مقاله یک افتخار بزرگ برای هر ریاضیدان محسوب می‌گردد.

با توجه به آنکه همکاری با ایشان برای هر کس ممکن نبود، تلاش می‌کردند با نفراتی در انتشار مقاله‌ی علمی همکاری کنند که با این دانشمند بزرگ مقاله داشتند. این رویکرد باعث پدید آمدن عدد اردوش (Erdős number) یا فاصله‌ی همکاری اردوش شد؛ یعنی برای نویسندگانی که به صورت مستقیم با ایشان همکاری داشتند عدد 1 و برای کسانی که با این نفرات مقاله داشتند عدد 2 نسبت داده شد و ارتباطات دورتر نیز به همین ترتیب با اعداد طبیعی بعدی مشخص شدند.

منظور از ظرف یا نگهدارنده (Container) ساختمان داده‌ای‌ست که دسته‌ای از اطلاعات را در خود نگه می‌دارد. آنچه که این ساختمان‌ها را از هم متمایز می‌کند، نوع تخصیص حافظه، نوع دسترسی و کارایی درج و حذف عنصر در آنها است که به برخی از آنها کاربری‌های ویژه می‌دهد.

در ادامه با انواع این نوع ساختمان داده‌ها در زبان برنامه‌نویسی ++C نسخه‌ی C++11 آشنا می‌شویم. با توجه به گسترده بودن این بحث، جزئیات بیشتر هر کلاس را در «پیوندها برای مطالعه‌ی بیشتر» بخوانید.

بسیاری از فرآیندهای طبیعی از جمله ترکیب ساختار بدن موجودات زنده نظم مشخصی دارند و از دنباله‌ی اعدادی تبعیت می‌کنند که امروزه با نام دنباله‌ی اعداد فیبوناچی (فیبوناتچی - Fibonacci) شناخته می‌شود. مشهورترین خاصیت این اعداد نسبت دو جمله‌ی متوالی آنها به ازای جملات بزرگ دنباله است که به عدد طلایی مشهور است.

این دنباله از جمله دنباله‌های عددی است که در طراحی سوالات مسابقات برنامه‌نویسی نیز استفاده می‌شود و گاهی در حل سوالات کاربرد دارد. از این رو آشنایی با روش‌های مختلف تولید جملات آن حائز اهمیت است.

فایل سرآیند (هدر فایل) algorithm از جمله فایل‌های سرآیند تعاریف کتابخانه‌ قالب استاندارد (STL) زبان برنامه‌نویسی ++C‌ است که به طور عمده شامل توابعی برای کار با مجموعه‌ای از داده‌ها (آرایه‌ها و لیست‌ها) است. با استفاده از این توابع به راحتی می‌توان با تنها یک خط کد عملیات جستجو، مرتب‌سازی، شمارش و بررسی یک خاصیت در تمامی داده‌های یک بازه‌ی مشخص را انجام داد.

در استفاده از این توابع باید به این نکته توجه داشت که هر کدام از آنها فرآیندهایی داخلی دارند که اگرچه از مرتبه‌ی زمانی بهینه است، اما لزوما قابل چشم‌پوشی نیست. به عبارت دیگر، دلیل استفاده از این توابع، حذف مرتبه‌ی زمانی برخی الگوریتم‌های مورد نیاز در برنامه نیست؛ بلکه تنها کدنویسی آنها را ساده می‌کند. در ادامه تعریف و عملکرد برخی از این توابع آمده است.

مسئله

$n$ بشکه‌ی آب با تعدادی لوله به هم وصل شده‌اند. هر بشکه استوانه‌ای عمودی با سطح مقطع یک متر مربع و ارتفاع نامحدود است که با عدد یکتا بین 1 تا $n$ شماره‌گذاری شده است. $i$-امین لوله بشکه‌ی $ x_i $ و $y_i$ را به هم متصل می‌کند. یک سر این لوله در ارتفاع $h_i$ متر به بشکه‌ی $ x_i $ متصل است و سر دیگر آن در همان ارتفاع به بشکه‌ی $y_i$ متصل است. در زمان صفر بشکه‌ها خالی هستند و یک جریان آب به صورت پیوسته با سرعت یک متر مکعب بر ساعت در بشکه‌ی شماره‌ی یک می‌ریزد. اگر آب بشکه‌ای به ارتفاع لوله‌ای برسد، آب در لوله جریان پیدا می‌کند و می‌تواند وارد بشکه‌ی دیگر شود. فرض کنید قطر لوله‌ها ناچیز است و سرعت آب در لوله‌ها بسیار زیاد است.

مسئله

جدولی با n سطر و m ستون در نظر بگیرید. در تمام خانه‌های این جدول عدد 0‌ نوشته شده است. در ابتدای کار حامد در خانه‌ای از جدول ایستاده است. او عدد این خانه را پاک می‌کند و عدد 1 را به جای آن می‌نویسد. حامد شروع به حرکت می‌کند و در هر ثانیه یک خانه به بالا، راست، پایین یا چپ می‌رود. او با وارد شدن به هر خانه، عدد نوشته شده در خانه را پاک می‌کند و عددی یک واحد بزرگتر از آخرین عددی که نوشته است را می‌نویسد و بعد از مدتی متوقف می‌شود. می‌دانیم حامد در انتهای حرکت خود تمام خانه‌های جدول را دیده است.

مسئله

ساختمان جدید دپارتمان مهندسی کامپیوتر تنها شامل آسانسور بوده و پله ندارد. برای دسترسی سریع و مناسب به اتاق‌ها و کلاس‌های طبقات مختلف، آسانسورها به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که تنها در طبقات مشخصی توقف داشته باشند؛ مثلا تعدادی تنها در طبقات زوج و تعدادی دیگر تنها در طبقات فرد. دکمه‌های داخل آسانسور و کنار ورودی آسانسور نیز تنها برای همین طبقات از پیش مشخص شده فعال هستند. این ایده دسترسی سریع و مناسب به طبقات ساختمان را برای برخی افراد فراهم می‌کند. به عنوان نمونه اعضای هیئت علمی دسترسی مستقیم به طبقات اتاق‌های خود دارند. اما در حالت کلی باعث سردرگمی می‌شود. اگر شخصی بخواهد از طبقه‌ای به طبقه‌ی دیگری برود، ممکن است هیچ آسانسوری در هر دوی آنها توقف نداشته باشد و شخص مجبور به تعویض آسانسور گردد. در چنین شرایطی این سوال پیش می‌آید که کدام آسانسور (یا آسانسورها) باید انتخاب شوند و کدام انتخاب‌ها شخص را در زمان کمتری به مقصد می‌رساند. اگر مسیر حرکت شخص از طبقه‌ی i به طبقه‌ی j به صورت $ i = f_1 \rightarrow f_2 \rightarrow f_3 \rightarrow \cdots \rightarrow f_k = j $ نمایش داده شود، عبارت $ \sum_{r=1}^{k-1} \vert f_i - f_{i+1} \vert $ زمان لازم برای رسیدن به مقصد از طریق آن مسیر است. برنامه‌ای بنویسید که افراد را در استفاده‌ی بهتر (در زمان کمتر) از آسانسورها یاری کند.

یکی از سوالات رایج علاقه‌مندان شرکت در مسابقات برنامه‌نویسی معتبر همچون ACM این است که چگونه خود را برای این مسابقات آماده کنیم؟ تا چه حد تسلط به یک زبان برنامه‌نویسی یا مفاهیم مختلف طراحی الگوریتم و شاخه‌های وابسته مورد نیاز است؟

کتاب Art of Programming Contest به عنوان یک کتاب اختصاصی آمادگی مسابقات برنامه‌نویسی با بررسی مباحث بسیار مفید در مورد مفاهیم و اصول مورد نیاز برای شرکت موفق در چنین مسابقاتی، به چنین سوالاتی پاسخ داده است. این کتاب با بحث در مورد شیوه‌های برنامه‌نویسی مطلوب با زبان برنامه‌نویسی C و استفاده‌ی موثر از مفاهیم مختلف طراحی الگوریتم‌ها و ساختمان داده‌ها، نه تنها برای شرکت‌کنندگان مسابقات که برای هر علاقه‌مند به حل مسائل چالش‌برانگیز الگوریتمی مناسب و مفید است.

مسئله

دو دوست در زمین نامحدودی متشکل از حصارهای دایره‌ای شکل هم‌اندازه با ساختار زیر قرار دارند:

یکی از دوستان قصد دارد با حرکت در این ساختار نزد دوست دیگر خود برود. حرکت در این ساختار در هر گام شامل جابجایی به یکی از دایره‌های مجاور است. دو دایره مجاور هستند اگر در یک نقطه مشترک باشند.

با توجه به موقعیت دو دوست در این ساختار، هدف یافتن حداقل گام‌های مورد نیاز برای رسیدن دو دوست به یک خانه است. توجه داشته باشید که محل اولیه‌ی دو دوست لزوما متمایز نبوده و در کل مراحل یک دوست در محل خود ثابت مانده و دوست دیگر حرکت می‌کند.