책 이야기

2⁷=128은 "12"로 시작하는 첫번째 2의 거듭제곱수이며, "12"로 시작하는 다음 2의 거듭제곱수는 2⁸⁰ 이다.

p(L,n)을 L로 시작하는 십진수 중 2^j가 n번째 가장 작은 j를 나타낸다고 정의하면, p(12,1)=7이고 p(12,2)=80이다.

또한 p(123,45)=70이다.

p(123,678910)을 구하시오.
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문제에서 요구하는 대로 구성하면 프로그램의 구조는 간단하다. 2를 계속 곱해가면서 L로 시작되는 n번째 숫자를 찾아 거듭제곱수를 알려주면 된다.

이렇게 구현하면 예시로 나와있는 p(12,1), p(12,2), p(123,45)는 어렵지 않게 구할 수 있다. 하지만, 2의 거듭제곱수 중에서 123으로 시작하는 678910번째 숫자가 2의 몇 거듭제곱인지 찾는 것은 데이터 허용범위가 넓은 파이썬으로도 어려운 일이었다. (이번에는 4300자릿수 이상을 넘을 수 없다는 에러메시지를 봤던 것 같다)

프로젝트 오일러의 높은 번호 문제는 난이도가 낮아도, 간단히 해결 가능한 것이 아니라 (주로 상상도 못한 크기의 숫자로) 한계가 숨어 있고, 이것을 어떻게 해결해내는 것인지가 추가로 포함되어 있는 것 같다.

이번 문제에서는 앞의 3자리만 동일하면 되기 때문에, 일정크기 이상으로 커지면 앞의 3자리에 영향을 미치지 않을 아랫쪽 수를 10000으로 나눠 없애는 형태로 계산했는데, 정확한 숫자를 구하는 것이 아니어서 살짝 걱정되었지만 맞출 수 있었다.

0~9 사이의 숫자 d로 채워지는 4x4 크기의 격자가 있다.

그 격자는 위와 같이 나타낼 수 있으며, 예시에서 각 열과 행의 합은 12이고, 대각선의 합 또한 12이다.

0~9 사이의 숫자 d로 구성되는 4x4  격자에서 각 행, 열, 두 대각선의 합계가 동일한 경우는 몇가지가 있는가?

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처음에는 기계적으로 중복순열을 만들어서 해결하려 했으나, 10¹⁶크기의 중복순열을 만들면서 메모리 에러가 발생했다.

그래서 격자의 (0,0)에서 (4,4)까지 a부터 p까지 자리기호를 매기고, (16차) 반복문으로 생성되는 숫자를 기준으로 첫 행의 가로 합계(sum=a+b+c+d)가 나머지 가로 합계(e+f+g+h, i+j+k+l, m+n+o+p), 세로 합계(a+e+i+m, b+f+j+n, c+g+k+o, d+h+l+p), 대각선(a+f+k+p, d+g+j+m)과 동일한 지 확인하도록 구성을 했는데, 10¹⁶ 크기만큼 반복을 하면서 시간이 대책없이 오래 걸리는 문제가 발생했다.

그래서, 고민을 하다 다른 사람이 해결한 방법을 검색해 봤는데, 변수 갯수를 줄이는 형태로 접근해서 실행시간을 개선하는 방법을 제시한 것이 있어 그 방법을 적용해 봤다. 앞 문단에서 설명한 것과 마찬가지 상황에서 sum=a+b+c+d로 했을 때,  가로 세로 합계 공식을 바꿔, h=sum-e-f-g, l=sum-i-j-k, p=sum-m-n-o, m=sum-a-e-i, n=sum-b-f-j, o=sum-c-g-k를 구할 수 있고, 대각선 공식을 이용하면 j=sum-d-g-m이 된다.

a, b, c, d, e, f, g, i, k에 대해 반복문을 구성하여, h, o는 반복문의 값으로 구하고, m을 먼저 구해서 j를 구하고, 그 값을 이용해서 l, p, n를 구할 수 있다. 대각선의 합계가 맞는지 확인하고(sum=a+f+k+p), 연산에 의해 구해진 값(h,j,l,m,n,o,p)이 0~9 사이의 값인 경우에 문제의 조건을 만족하는 경우가 된다.

이것을 반복문을 활용해서 계속 구해나가면 복잡도가 10¹⁶에서 10⁹로 1/10⁷이 줄어들어, 이전보다는 훨씬 빠르지만 그래도 답을 구하는 데는 시간이 좀 필요했다. 다만, 스스로 생각해서 끌까지 해결하지 못하고 다른 사람의 아이디어를 봐야 해결가능하다는 것이 씁쓸했다.

분자가 분모보다 작은 양의 분수를 진분수(proper fraction)라 한다.

어떤 분모 d에 대해 d-1개의 진분수가 있다. 예를 들어, d=12일때 진분수는 다음과 같다.
1/12,2/12,3/12,4/12,5/12,6/12,7/12,8/12,9/12,10/12,11/12.

약분되지 않는 분수를 탄력분수(resilient fraction)이라 부르자.

특정 분모 d에 대해 약분되지 않는 분자의 비율을 R(d)라 정의한다. 예를 들어, R(12)=4/11이다.

실제로, d=12는 R(d)<4/10인 가장 작은 분모이다.

R(d)<15499<94744인 가장 작은 분모 d를 구하시오.

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약분되지 않는 분수를 학교에서는 기약분수(inreducible fraction)로 배웠는데, 여기에서는 무슨 차이가 있는지 모르겠지만 탄력분수로 정의하고 있다.

처음에는 모든 숫자를 대입해서 계산을 시도했는데, 시간이 너무 많이 걸렸다. 기약분수가 적은 경우를 찾는 형태여서 생각해보니 69번 문제를 변형한 문제처럼 보였다.

일단 많이 나눠주는 수의 곱으로 분모가 되어야 작아질 것이기 때문에 처음에는 짝수를 대상으로 시도했는데, 결과값 패턴을 보니 2와 3의 공배수인 6의 배수가 값이 작은 것이 보였다. 가만히 생각해보니 작은 소수의 곱으로 구성되는 숫자일수록 나눠지는 숫자가 많아 정답에 근접하게 나오게 되는 패턴을 찾았다.

그래서, 일단은 2에서 시작해서 나오는 소수의 곱을 대상으로, 배수를 5번씩 계산해서 정답보다 낮은 경우를 찾도록 했다.(예를 들어, 2의 경우 2,4,6,8,10, 2와3의 곱인 6의 경우 6,12,18,24,30, 2와3과5의 곱인 30의 경우 30,60,90,120,150 등을 계산하도록 했다)

소수의 곱은 생각보다 기하급수로 커졌고, 그 덕분에 정답 또한 생각했던 것 보다는 엄청 큰 값이었고, 답에 근접한 값만 계산하게 했어도 상당한 시간이 필요했다.

"_"가 숫자 한 자리이며, 제곱값이 1_2_3_4_5_6_7_8_9_0인 양의 정수를 구하시오.

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난이도 5%인 문제여서 그런지 그나마 단순한 방법으로 해결가능했다.

일단 19자리 숫자이면서 1의 자리에 0, 백 자리에 9, 만 자리에 8, 백만 자리에 7, 억 자리에 6, 백억 자리에5, 조 자리에 4, 백조 자리에 3, 경 자리에 2, 백경 자리에 1이 들어가는 숫자를 구하면 되는데,  첫 자리가 1로 시작하므로 제곱하여 백경이 되는 1,000,000,000부터 시작할 것이고, 첫 자리가 2보다 작아야 하므로 √2*1,000,000,000 보다는 작아야 할 것이다.

그리고, 1의 자리가 0이므로 마지막 숫자는 0이 되므로 이 사이의 숫자를 반복문을 통해 계산해서 어렵지 않게 구할 수 있었다.

양의 정수 x, y, z가 등차수열의 연속된 요소일 때, x2-y2-z2=n으로 구해지는 가장 작은 양의 정수 n은 n=27일 때 정확하게 2개의 해답이 있다:

342-272-202=122-92-62=27.

정확하게 10개의 해답이 있는 최소값은 n=1155일 때이다.

10개의 해답이 있는 1백만 이하의 n은 몇 개 인가?

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등차수열이기 때문에 처음에는 x를 기준으로, x2-(x-a)2-(x-2a)2=n으로 수식을 만들어서, 정리하니 x2-6ax+5a2=-n이어서, (x-a)(x-6a)=-n이 되었다. 모양은 좀 이상했지만 처음 값 x와, 차이 a 기준으로 n의 약수의 곱이 된다는 것을 알 수 있었다.

(제대로 접근한 사람은 가운데 y를 기준으로 (y+a)2-y2-(y-a)2=n으로 수식을 만들어서, 전개하면 4ay-y2=n이 되고, 차이 a 기준으로 정리하면 a=(n+y2)/4y가 된다)

처음에는 약수의 갯수만 관련이 있다고 생각하고 약수가 20개 인 수(두 수의 곱이므로 절반인 10개의 해답을 만드는 수로 추정)의 갯수를 찾도록 구현했는데, 약수 만드는 함수의 성능이 나빠서 시간이 너무 많이 걸리고, 이를 개선해서 조금 빨리 돌아가도록 했는데 오답이 나왔다.

다시 확인해보니, 후보가 되는 것은 약수가 맞지만 두 약수의 곱이 아니기 때문에 약수를 대상으로 등차수열 조건(a=(n+y2)/4y, a<y, a는 정수)을 만족하는지 확인해야 되는 것이었다. 그렇게, 단순히 약수의 갯수를 세는 것이 아니라 약수를 대상으로 등차수열을 만들 수 있는 것이 몇 개인지 확인하도록 변경해서 답을 구할 수 있었다.

그리고, 처음에는 n의 약수를 1~n/2까지 비교하도록 되어 있던 함수 성능을 개선한 이후에야 수분 내에 답을 구할 수 있어서, 성능의 중요성을 다시 한 번 느꼈다.