Añado otra respuesta por que se aleja demasiado a la solución dada en mi anterior respuesta. En la otra daba una solución simple y basada en lo hablado en el chat entre el autor de la pregunta y mi persona. En esta respuesta hablaré del funcionamiento de mi programa diseñado para evaluar expresiones aritméticas, algebraicas o polinómicas a base de un string, hay cosas que aún no están terminadas pero todo ello lo detallaré más adelante (no explicaré todo en detalle ya que sería muy extenso).
En principio mi programa consta de 3 clases que se encargan de distintas funciones o cosas del programa. En primer lugar y que es la base de todo es la clase Number
la cual crea un objeto de tipo Number
que aparte de representar un número entero o decimal puede representar exponentes, monomios, etc.
Código de la clase Number
from decimal import Decimal
from collections import Counter
class Number():
def __init__(self, num, exp=1, literal_part:list=None, exp_literal:list=None, simple=False):
self.simple = simple
self.literal = literal_part if literal_part else []
self.exp_literal = exp_literal if exp_literal else [1 for _ in range(len(self.literal))] if self.literal else []
self.base = float(num) if num not in [float, int] else num
self.exp = float(exp) if exp not in [float, int] else exp
def eval(self)->int:
return self.base**self.exp
def __add__(self, other):
if self.literal==other.literal and self.exp_literal==other.exp_literal:
return Number(self.eval()+other.eval(), literal_part=self.literal[:], exp_literal=self.exp_literal[:])
elif [other.exp, self.exp] == [1, 1] and not self.literal:
return Number(self.base + other.base, literal_part=self.literal)
else:
return self, other
def __sub__(self, other):
if self.literal==other.literal and self.exp_literal==other.exp_literal:
base = self.eval() - other.eval()
literal, exp_literal = self.literal, self.exp_literal
if not base:
literal, exp_literal = None, None
if base>0: base=-base
return Number(base, literal_part=literal, exp_literal=exp_literal)
elif [other.exp, self.exp] == [1, 1] and not self.literal:
base = self.base - other.base
if base>0: base=-base
return Number(base, literal_part=literal)
else:
return self, other
def __mul__(self, other):
exp_literal, literal = self.exp_literal[:], self.literal[:]
exp, base = self.exp, self.base
if self.base==other.base:
exp=self.exp+other.exp
else:
base =self.base*other.base
if self.literal and other.literal:
for other,exp in zip(other.literal, other.exp_literal):
if other in self.literal:
i = self.literal.index(other)
exp_literal[i]+=exp
else:
literal.append(other)
exp_literal.append(exp)
else:
literal.extend(other.literal)
exp_literal.extend(other.exp_literal)
return Number(base, exp, literal[:], exp_literal[:])
def __truediv__(self, other):
exp_literal, literal = self.exp_literal[:], self.literal[:]
exp, base = self.exp, self.base
if self.base==other.base:
exp=self.exp-other.exp
else:
base =self.base/other.base
if self.literal and other.literal:
for other,exp in zip(other.literal, other.exp_literal):
if other in self.literal:
i = self.literal.index(other)
self.exp_literal[i]-=exp
if not self.exp_literal[i]:
self.exp_literal.pop(i)
self.literal.pop(i)
else:
self.literal.append(other)
self.exp_literal.append(-exp)
elif other.literal:
if not self.literal:
self.literal, self.exp_literal = [], []
self.literal.extend(other.literal)
self.exp_literal+=[-exp for exp in other.exp_literal]
return Number(base, exp, self.literal, self.exp_literal)
def __repr__(self):
return f"{self.base}{f'^{self.exp}' if self.exp>1 else ''}{''.join(f'{letra}^{exp}' for letra,exp in zip(self.literal,self.exp_literal)) if self.literal else ''}"
def dist(self, number):
self.exp *=number
return self
La composición de objetos Number
dan lugar a un nuevo objeto, llamado AlgExpresion
que se crea al momento de realizar cualquier operación aritmética entre objetos Number
. Sin embargo la clase que da origen a una AlgExpresion
es la clase Expresión
que se encarga de parsear al string de entrada, se analiza caracter por caracter, separando cada expresión y operación, cada expresión identificada pasa a ser procesada y convertida a una de tipo Number
pero antes se reduce toda la base a lo mínimo y queda una operación de potenciación. El primer proceso de parseo está a cargo del inicializador (__init__
) de la clase Expresion
, el proceso de reducción del número está a cargo de un método llamado descomponer
que descompone, cada expresión identificada en el __init__
, en un número más simple con exponente, si el número presenta parte literal también se separa el número de su parte literal para ser analizada, esto es hecho por el método separate_num
. Si el número es demasiado alto (mayor a las 14 cifras) se utiliza la el módulo Decimal
para poder tener una mayor precisión al momento de descomponer el número, esto se hace ya que la descomposición se basa en divisiones sucesivas y esto causa errores de aproximación en números mayores a las 14. También el método descomponer
tiene un pequeño "sistema de seguridad" y es que existe el caso en que un número sea primo y este sea un número muy alto, por lo que llegar hasta ese número puede tardar varios minutos, por ello esta función se rompe luego de unas determinadas iteraciones, y se vuelve a repetir unas cuantas veces, si hasta ello no se ha conseguido reducir más el número entonces para y deja el número reducido con lo máximo que se pudo.
Voy dejando un el código de la clase Expresion
para que se entienda más lo que dije.
Código de la clase Expresion
class Expresion():
OPERATORS = "*/+"
PRECEDENCIA = {
"*": 2,
"/": 2,
"+": 1,
"-": 1
}
def __init__(self, expresion:str):
expresion = self.process_espresion(expresion)
self.expresions = []
self.operations = []
self.convert = False
length=len(expresion)
i = 0
while i<length:
inicio = i
tk = expresion[i]
if i==0 and tk in "+-":
i+=1
tk = expresion[i]
while tk.isspace() and i<length-1:
i+=1
tk = expresion[i]
while not tk in "+*/-" and i!=length-1:
if tk in "()":
i+=1
break
i+=1
tk = expresion[i]
if i==length-1: i+=1
else:
self.operations.append(expresion[i])
res = self.descomponer(expresion[inicio:i])
self.expresions.append(res)
i+=1
def process_espresion(self, expresion:str)->str:
negative=False
if not "(" in expresion: return expresion
n = expresion.index("(")
expresion=f"{expresion[:n]}{expresion[n+1:]}"
e=1
while True:
if n>=len(expresion): break
if expresion[n-e]=="-":
negative=True
if negative:
if expresion[n]=="+":
expresion=f"{expresion[:n]}-{expresion[n+1:]}"
elif expresion[n]=="-":
expresion=f"{expresion[:n]}+{expresion[n+1:]}"
elif expresion[n]==")":
negative=False
expresion=f"{expresion[:n]}{expresion[n+1:]}"
continue
n+=1
#el ultimo replace es debido un pequeño bug
#que descubrí mientras escribbia la respuesta
return expresion.replace(")","").replace("-+","-")
def separate_num(self, num):
nums,i = "", 0
for c in num:
if not c: continue
elif c in "0123456789.+-*/": i+=1
else: break
return num[:i], num[i:].strip()
def descomponer(self, expresion:str)->tuple:
literal, negative = None, None
expresion=expresion.strip()
num, exp = expresion.split("^") if "^" in expresion else (expresion,1)
try:
num_proc = float(num) if len(num)<=14 else Decimal(num)
except:
num, literal = self.separate_num(num)
if not num: num="1"
num_proc = float(num) if len(num)<=14 else Decimal(num)
return {num_proc:1}, float(exp), literal
if num_proc ==1.0:
return {1:1},1, literal
elif num_proc<0:
num_proc = abs(num_proc)
negative=True
pot, r = 2, 1
div = []
while num_proc>0:
if not num_proc%pot:
if negative:
pot =-pot
negative=False
div+=[pot]
num_proc/=pot
continue
else:
pot+=1
if pot >50000:
pot=2
r +=1
if r>3:
div+=[num_proc]
break
if num_proc == 1.0: break
return Counter(div), float(exp), literal
def _convert_number(self):
i=0
res = []
for num, pot, literal in self.expresions:
operations =[]
itms = num.items()
res += [Number(n, exp).dist(pot) for n,exp in itms]
if literal:
res[-1].literal=[literal]
res[-1].exp_literal=[1]
if len(itms): operations+=["*"]*(len(itms)-1)
for op in operations:
self.operations.insert(i, op)
i+=len(operations)+1
res[0] = AlgExpresion([res[0]])
self.expresions = res[:]
self.convert = True
def operar(self, reduce=True):
operaciones = {
"+":lambda x,y: x + y,
"-": lambda x,y: x - y,
"*": lambda x,y: x * y
}
prece = Expresion.PRECEDENCIA
while len(self.operations)>=2 and len(self.expresions)>=2:
op1, op2 = self.operations[:2]
if prece[op1]>=prece[op2]:
res = operaciones[op1](*self.expresions[:2])
i=0
else:
res = operaciones[op2](*self.expresions[1:3])
i=1
self.operations.pop(i)
del self.expresions[i:2+i]
self.expresions.insert(i, res)
else:
res = operaciones[self.operations.pop(0)](*self.expresions)
self.expresions = res
return self
def compile(self):
if not self.convert: self._convert_number()
return self
def __mul__(self, other):
if type(other)!=Expresion: raise ValueError(f"No se puede operar con un objeto de tipo {type(other)}")
def __repr__(self):
if not self.convert:
expresion = ""
for i in range(len(self.operations)):
expresion += f"{self.expresions[i]} {self.operations[i]} "
expresion += f"{self.expresions[-1]}"
return expresion
else: return repr(self.expresions)
Lo que retorna el método descomponer
es una tupla de 3 elementos, que contiene como primer elemento un diccionario un objeto Counter
que contiene la descomposición del número en forma {base: exponente}
, el segundo elemento es el exponente real del número por ejemplo, 4^3
la descomposición de 4
resulta en 2^2
pero todo ello va elevado al cubo (3
) y el tercer elemento es la parte literal del número, si no tiene parte literal se retorna None
. Sin embargo nunca se opera con el diccionario sino, como dije, se opoera con objetos Number
por lo que creé un método llamado compile
que se encarga de ejecutar las funciones necesarias para poder convertir esa tupla de 3 elementos en un objeto Number
, ese método debe ser llamado al momento de ejecutar el código, pues la base para iniciar la operación. Para operar o resolver la expresión dada en string se llama al método .operar
este método se encarga de realizar las operaciones incluso tiene en cuenta la precedencia de operadores, todas las operaciones son implementadas desde 0.
Para ayudar a este método se han implementado los dunder methods de la clase Number
y de la clase AlgExpresion
. Al realizar la primera operación se hace entre objetod de tipo Number
y Number
pero el resultado de eso es un objeto AlgExpresion
por lo que las suiguientes operaciones (ocurriendo en precedencia normal, osea de mayor a menor precedencia) se realizan entre AlgExpresion
y Number
.
Código de la clase AlgExpresion
class AlgExpresion():
def __init__(self, expresion:list):
self.terminos = expresion.copy()
def __add__(self, other):
include=None
terms = self.terminos[:]
for i,term in enumerate(self.terminos):
if term.literal == other.literal:
terms[i] = term+other
include=True
break
else: include=False
if not include:
terms.append(other)
return AlgExpresion(terms)
def __sub__(self, other):
include=None
terms = self.terminos[:]
for i,term in enumerate(self.terminos):
if term.literal == other.literal:
terms[i] = term-other
include=True
break
else: include=False
if not include:
if other.base>0:
other.base = -other.base
terms.append(other)
return AlgExpresion(terms)
def __mul__(self, other):
terms = self.terminos[:]
terms[-1]*=other
return AlgExpresion(terms)
def __truediv__(self, other):
terms = self.terminos[:]
terms[-1]/=other
return AlgExpresion(terms)
def __getitem__(self, item):
return self.terminos[item]
def __repr__(self):
return "+".join(str(term) for term in self.terminos).replace("+-","-")
Con estas 3 clases practicamene ya está resuelto todo. El orden para colocar las clases es: primero clase Number
, segundo clase AlgExpresion
y por último la clase Expresion
Todas las clases tienen implementado el dunder method __repr__
para ser mostradas de forma "bonita".
Ahora te doy unos ejemplos de uso:
ex1 = Expresion("6a*2a-3+1").compile()
print(ex1.operar(), end="\n")
ex2 = Expresion("-31x+4*x*2+1").compile()
print(ex2.operar())
Dando como resultado:
12.0a^2-2.0
-23.0x^1+1.0
Esto se puede aplicar de forma muy fácil a tu proyecto, teniendo en cuenta mi respuesta anterior:
from random import randint, choice
#podemos borrar los 1 en las x
fmts = {'-{}x - (-{} - x) = {}' : '-{}x - (-{} - x) - {}'}
view_expr, expr = choice(list(fmts.items()))
x,y,z = randint(1,40), randint(1,40), randint(1,40)
expr = expr.format(x,y,z)
#almacenaremos la expresión en forma de igualdad
view_expr = view_expr.format(x,y,z)
#recomiendo eliminar espacios en blanco para correcto funcionamiento
ex = Expresion(expr.replace(" ","")).compile()
resultado = ex.operar()
print(f"{expr} = {resultado}")
Que dará como resultado (en mi caso):
-25x - (-36 - 1x) - 5 = -24.0x^1-31.0
Lo cual no está mal algebraicamente, pero obviamente no es el mismo resultado que entrega sympy
, pues mi programa no puede evaluar igualdades y tampoco despeja variables, si lo que quieres es despejar x
puedes hacer algo como:
var, num = resultado.expresions[:]
literal_part = var.literal[0]
res = f"{literal_part} = {num.base/var.base}"
print(res)
Que según las varaibles anteriores (misma ejecución) da como resultado:
x = 1.2916666666666667
Esto solo funciona para casos como el anterior, teniendo solo una variable y que ambos números no tenga exponente, de lo contrario se tendrían que convertir a tipo Number
nuevamente (el que tiene parte literal) y operar.
Más que nada espero que esto te sirva para que sepas como funcionan las cosas además que refuerzas conocimientos matemáticos :D, esto aún presenta algunos bugs o falta de funcionalidades, como es la multiplicacion a un grupo de expresiones agrupadas mediante paréntesis, como lo es el siguiente caso 2*(x+3)
esto no está implementado, al igual que las expresiones con parte literal que tengan exponente, poner Expresion("2a^2+3")
dará algún error pues este tipo de entrada no esta soportada (pero como parte de operaciones o salida sí). Si tienes alguna duda puedes hacermela y con gusto resonderé :D.