四则运算表达式生成器（python实现）

Github   合作人：陈锐填3118004998，何隽熙3118005000

一.题目：实现一个自动生成小学四则运算题目的命令行程序（也可以用图像界面，具有相似功能）

二.说明：

  自然数：0, 1, 2, …。

• 真分数：1/2, 1/3, 2/3, 1/4, 1’1/2, …。
• 运算符：+, −, ×, ÷。
• 括号：(, )。
• 等号：=。
• 分隔符：空格（用于四则运算符和等号前后）
• 算术表达式：

  e = n | e1 + e2 | e1 − e2 | e1 × e2 | e1 ÷ e2 | (e),

  其中e, e1和e2为表达式，n为自然数或真分数。

• 四则运算题目：e = ，其中e为算术表达式。

三.需求

1.使用 -n 参数控制生成题目的个数，例如 

   Myapp.exe -n 10

   将生成10个题目。

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，例如

   Myapp.exe -r 10

  将生成10以内（不包括10）的四则运算题目。该参数可以设置为1或其他自然数。该参数必须给定，否则程序报错并给出帮助信息。

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，即任何两道题目不能通过有限次交换+和×左右的算术表达式变换为同一道题目。例如，23 + 45 = 和45 + 23 = 是重复的题目，6 × 8 = 和8 × 6 = 也是重复的题目。3+(2+1)和1+2+3这两个题目是重复的，由于+是左结合的，1+2+3等价于(1+2)+3，也就是3+(1+2)，也就是3+(2+1)。但是1+2+3和3+2+1是不重复的两道题，因为1+2+3等价于(1+2)+3，而3+2+1等价于(3+2)+1，它们之间不能通过有限次交换变成同一个题目。

生成的题目存入执行程序的当前目录下的Exercises.txt文件，格式如下：

   1.四则运算题目1

   2.四则运算题目2

.........

其中真分数在输入输出时采用如下格式，真分数五分之三表示为3/5，真分数二又八分之三表示为2’3/8。

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，格式如下：

    1.答案1

    2.答案2

 特别的，真分数的运算如下例所示：1/6 + 1/8 = 7/24。

 ......

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。

 

四.PSP表格

PSP2.1	Personal Software Process Stages	预估时间(分钟)	实际耗时(分钟)
Planning	计划	10	10
-Estimate	-估计这个任务需要多少时间	600	1100
Development	开发	450	1000
-Analysis	-需求分析（包括学习新技术）	20	20
-Design Spec	-生成设计文档	30	20
-Design Review	-设计复审（和同事审核设计文档）	20	10
-Coding Standard	-代码规范（为目前得开发制定合适得规范）	10	10
-Design	-具体设计	30	140
-Coding	-具体编码	190	600
-Code Review	-代码复审	80	200
-Test	-测试（自我测试，修改代码，提交修改）	70	50
Reporting	报告	50	100
-Test Report	-测试报告	30	40
-Size Measurement	-计算工作量	10	30
-Postmortem & Process Improvement Plan	-事后总结，并提出过程改进计划	10	30
合计		510	1110

 

五.效能分析

通过pycharm上面的profile进行时间分析:(这是进行10000道题目生成的时间消耗)

 

 当进行1000道题目的生成时候，发现查重的时间(is_equal方法)消耗减少了许多,所以把重点放在了查重方法的优化

 六.设计实现过程

主要文件：

1. main.py：进行其他函数的调用，选择命令行执行抑或gui图像界面
2. szys.py：main方法主要调用的对象，进行表达式生成，计算表达式等方法
3. cmpAnswer.py：进行正确答案与答案文件的比较，并将比较结果写入Grande.txt文件中
4. getAnswer.py:获取文件的正确答案
5. gui.py:打开图形处理界面

文件执行流程：

 七.代码说明

1.生成表达式

    def create_formula(self, i):
        # 生成式子
        formula = [self.create_number() if j % 2 == 1 else self.select('operation') for j in
                   range(1, self.select('operate_sum') + 1)]
        #当第三条式子添加括号
        if i % 3 == 0:
            formula = add_bracket(formula)
        formula2 = set(formula)

        # 查重，当题目已有时重新调用create_formula()
        if self.is_equal(formula2) is True:
            self.create_formula(i)
        else:
            answer = self.get_answer(formula)
            if answer < 0:
                self.create_formula(i)
            else:
                self.answer[i] = answer
                self.formula2.append(formula2)
                self.formula[i] = formula

 2.添加括号

def add_bracket(self,formula):
    i = 0
    for item in formula:
        if item not in ['+','-','*','/',"'"]:
            i += 1
    expression = []
    left = randint(0,int(i/2))
    right = randint(left+1,int(i/2+1))
    mark = 0
    for item in formula:
        if item in ['+','-','*','/',"'"]:
            expression.append(item)
        else:
            mark += 1
            if mark == left:
                expression.append("(")
                expression.append(item)
            elif mark == right:
                expression.append(item)
                expression.append(")")
            else:
                expression.append(item)
    return expression

3.文件写入

    def store(self):
        # 调用create()，写入文件Exercise.txt,Answers.txt

        for i in range(1, self.total + 1):
            self.create_formula(i)

        with open('docs\\Answers.txt', 'a', encoding='utf-8') as f_o:
            for i in range(1, self.total + 1):
                f_o.write(str(i) + '. ' + str(self.answer[i]) + '\n')
        i = 0
        with open('docs\\Exercises.txt', 'a', encoding='utf-8') as f_n:
            for formula in self.formula.values():
                i = i + 1
                f_n.write(str(i) + '. ')
                for item in formula:
                    if type(item) is Fraction:
                        if item > 1:
                            num = item.numerator // item.denominator
                            item -= num
                            f_n.write("{}'{} ".format(num, item))
                        else:
                            f_n.write("{} ".format(item))
                    else:
                        f_n.write("{} ".format(item))
                f_n.write("=\n")

4.图形界面

import tkinter
from tkinter import *
from tkinter import filedialog
import tkinter.messagebox
from szys import SZYS
from cmpAnswer import cmp
import time

class MyApp(tkinter.Frame):
    """
    gui界面
    """

    def __init__(self, master):
        super().__init__(master=master)
        self.frame = Frame(master)

        label_total = Label( text = '请输入题目数目')
        label_total.pack()
        self.entry_total = Entry()
        self.entry_total.pack()
        label_max = Label(text = '请输入数字最大值')
        label_max.pack()
        self.entry_max = Entry()
        self.entry_max.pack()
        self.buttom = Button(text='确定', command=self.input_sum)
        self.buttom.pack()
        self.pack()


        #校验答案
        self.buttom = Button(text='请选择题目文件', command=self.open_file1)
        self.buttom.pack()
        self.name1 = tkinter.Variable()
        self.entry = tkinter.Entry( textvariable=self.name1)
        self.entry.pack()

        self.buttom = Button(text='请选择答案文件', command=self.open_file2)
        self.buttom.pack()
        self.name2 = tkinter.Variable()
        self.entry = tkinter.Entry( textvariable=self.name2)
        self.entry.pack()

        self.buttom = Button(text='校验', command=self.examing)
        self.buttom.pack()
        self.pack()
        

    def input_sum(self):
        total = self.entry_total.get()
        max_num = self.entry_max.get()
        tkinter.messagebox.showinfo('提示','生成中，请耐心等待')
        s = SZYS(int(total), int(max_num))
        s.store()
        tkinter.messagebox.showinfo('提示','生成成功')

    def open_file1(self):
        # 获取文件名
        self.file_name1 = filedialog.askopenfilename()
        self.name1.set(self.file_name1.split(r'/')[-1])
    
    def open_file2(self):
        # 获取文件名
        self.file_name2 = filedialog.askopenfilename()
        self.name2.set(self.file_name2.split(r'/')[-1])
        
    def examing(self):
        cmp(self.file_name1,self.file_name2,'docs\\Grande.txt')
        tkinter.messagebox.showinfo('提示','校验成功，请查看文件Grande.txt')
    


def window():
    windows = Tk()
    windows.title("四则运算生成器")
    windows.geometry('400x400')
    welcome = Label(text='欢迎使用', fg='red', font=('Arial', 20))
    welcome.pack()
    myapp = MyApp(windows)
    windows.mainloop()

八.测试运行

1.命令行形式运行，生成题目以及答案

 

 将答案稍作修改进行检验：

 

 

 得到错误的题号以及错误的答案，并将正确答案返回，最后写入Grande.txt内

2.调用GUI图形界面进行处理

 

 

 校检 

 

 九.项目小结

 

何隽熙：在这次结对项目中，我主要负责对表达式的计算和校检，期间遇到了一些困难，比如在带分数的处理以及括号计算的处理上，总是会出现像类型不匹配的bug。后来在给锐镇大佬检查了一下之后，发现读入存在问题。最终在两人的合作中比较顺利的完成了这次项目。不得不说，两人合作完成一个项目是要比一个人完成高效许多，并且也容易找出自己的问题，可以填补自己的漏洞，同时阅读对方的代码，也能够学习对方编码的优点。

 

陈锐填：我负责写式子的生成，还有计算，gui界面。在这遇到不少困难，通过与何隽熙大佬沟通，解决了不少bug，还有查重方法，一开始使用了算法复杂度为O(n2),导致生成10000道题目时间达到26s，最终沟通交流决定将式子存储为集合（背包），通过判定背包里元素是否相同粗略判断式子是否相同，而括号一开始我没打算加，因为判定使用场景较为困难，后来隽熙大佬说需求有，不是选做内容，想了想，确实，需求要求还是得完成，在重写生成式子，及计算答案的方法的过程中意外发现eval（）函数去除引号后，能计算式子的内容，但又引出结果是小数的问题，解决问题的过程很有趣，但同时我也发现了自身知识面太窄等问题，对算法内容等掌握不足，应该多向大佬学习。