Adoro programar e conhecer todas as línguas, mas sou péssima em matemática. Infelizmente, minha escola exige que os alunos de informática façam um ano de cálculo. Há um teste na próxima semana e eu não conheço nenhuma das fórmulas para derivativos!

Por favor, ajude-me a encontrar as fórmulas. Preciso de uma cábula - um programa (o mais curto possível para que meu professor não perceba) que recebe uma expressão (como 4*x^3-2) como entrada e gera a derivada. (Eu não me importo se a entrada e a saída usam argumentos de linha de comando, STDIN, STDOUT ou qualquer outra coisa, pois estou fazendo todo o cálculo na minha cabeça de qualquer maneira.)

O teste abrange os seguintes tipos de funções:

• Constantes, como -3ou8.5
• Funções de poder, como x^0.5oux^-7
• Funções exponenciais, como 0.5^xou 7^x(a base é sempre positiva)
• Uma constante multiplicada por uma função, como 3*x^5ou-0.1*0.3^x
• A soma e a diferença de múltiplas funções, como -5*x^2+10-3^x

Meu professor sempre formata suas perguntas exatamente da mesma maneira, como mostrado acima. Ele também não usa frações, números como pi ou e , ou números realmente grandes (maiores que 1.000). Ele nunca usa parênteses e sempre mostra multiplicação usando um asterisco ( *). A única variável usada é sempre x .

Por outro lado, meu professor é bastante tolerante com as respostas. Eles não precisam ser simplificados nem formatados exatamente como mostrado acima, desde que fique claro o que a resposta está dizendo.

Embora eu possa usar qualquer idioma, lembre-se de que não consigo descobrir derivativos sozinho. Portanto, se o programa usar funções internas para lidar com equações ou calcular derivadas, não poderei usá-lo.

Durante o teste, não terei acesso à Internet ou a outros arquivos além do programa na folha de dicas.

Nota: Este cenário é totalmente fictício. Na vida real, trapacear e ajudar os outros a trapacear é errado e nunca deve ser feito.

Wolfram 136 134 109 _{[Agradecemos a Calle por seu comentário abaixo]}

Suporte limitado para regras de produtos e cadeias.

n=n_?NumberQ;d[v_Plus]:=d/@v;d[v_]:=v/.{x_^n:>x^(n-1)d[x]n,n^x_:>Log[n]d[x]n^x,x_*y__:>d[x]y+d[y]x,n:>0,x:>1}

Exemplo:

d[3^(x^2)*(x^3+2*x)^2]
>> 2*3^x^2*(2+3*x^2)*(2*x+x^3) + 2*3^x^2*x*(2*x+x^3)^2*Log[3]

Observe que isso não usa "funções internas para lidar com equações ou calcular derivadas": apenas a correspondência de padrões está envolvida *.

_{[* Bem ... tecnicamente, o intérprete também analisa e constrói uma espécie de AST a partir da entrada também]}

Ungolfed:

d[expr_Plus] := d /@ expr;
d[expr_] := expr /. {
   Power[x_, n_?NumberQ] :> n Power[x, n - 1] d[x],
   Power[n_?NumberQ, x_] :> Log[n] Power[n, x] d[x],
   Times[x_, y__] :> d[x] y + d[y] x,
   n_?NumberQ :> 0,
   x :> 1
}

Perl - 121 122

(+2 para -p)

s/(?<![-\d.*^])-?[\d.]+(?![*^\d.])/0/g;s/(?<!\^)x(?!\^)/1/g;s/x\^(-?[\d.]+)/"$1*x^".($1-1)/ge;s/([\d.]+)\^x/ln($1)*$&/g

Teste:

$ perl -p diff.pl << EOF
> -3
> 8.5
> x^0.5
> x^-7
> 0.5^x
> 7^x
> 3*x^5
> -0.1*0.3^x
> -5*x^2+10-3^x
> EOF
0
0
0.5*x^-0.5
-7*x^-8
ln(0.5)*0.5^x
ln(7)*7^x
3*5*x^4
-0.1*ln(0.3)*0.3^x
-5*2*x^1+0-ln(3)*3^x

Haskell 38 Chars

A função dpega uma função e retorna uma função. É introduzido na forma de uma série de potências e produzido da mesma maneira (que é um tipo de qualquer coisa).

d=zipWith(*)[1..].tail

Por exemplo, se introduzirmos x->x^2, obtemos x->2*x.

λ <Prelude>: d [0,0,1]
[0,2]

E para a função exponencial.

λ <Prelude>: take 10 exp --exp redefined above to be in power series notation
[1.0,1.0,0.5,0.16666666666666666,4.1666666666666664e-2,8.333333333333333e-3,1.388888888888889e-3,1.984126984126984e-4,2.48015873015873e-5,2.7557319223985893e-6]
λ <Prelude>: let d=zipWith(*)[1..].tail in take 10 $ d exp
[1.0,1.0,0.5,0.16666666666666666,4.1666666666666664e-2,8.333333333333333e-3,1.388888888888889e-3,1.984126984126984e-4,2.48015873015873e-5,2.7557319223985893e-6]

Prolog 176

d(N,0):-number(N).
d(x,1).
d(-L,-E):-d(L,E).
d(L+R,E+F):-d(L,E),d(R,F).
d(L-R,E-F):-d(L,E),d(R,F).
d(L*R,E*R+L*F):-d(L,E),d(R,F).
d(L^R,E*R*L^(R-1)+ln(L)*F*L^R):-d(L,E),d(R,F).

Operadores suportados: binário +, binário -, binário *, binário ^, unário -. Observe que unário +não é suportado.

Exemplo de execução:

49 ?- d(-3,O).
O = 0.

50 ?- d(8.5,O).
O = 0.

51 ?- d(x^0.5,O).
O = 1*0.5*x^ (0.5-1)+ln(x)*0*x^0.5.

52 ?- d(x^-7,O).
ERROR: Syntax error: Operator expected
ERROR: d(x
ERROR: ** here **
ERROR: ^-7,O) . 
52 ?- d(x^ -7,O).
O = 1* -7*x^ (-7-1)+ln(x)*0*x^ -7.

53 ?- d(x,O).
O = 1.

54 ?- d(0.5^x,O).
O = 0*x*0.5^ (x-1)+ln(0.5)*1*0.5^x.

55 ?- d(7^x,O).
O = 0*x*7^ (x-1)+ln(7)*1*7^x.

56 ?- d(3*x^5,O).
O = 0*x^5+3* (1*5*x^ (5-1)+ln(x)*0*x^5).

57 ?- d(-0.1*0.3^x,O).
O = 0*0.3^x+ -0.1* (0*x*0.3^ (x-1)+ln(0.3)*1*0.3^x).

58 ?- d(-5*x^2+10-3^x,O).
O = 0*x^2+ -5* (1*2*x^ (2-1)+ln(x)*0*x^2)+0- (0*x*3^ (x-1)+ln(3)*1*3^x).

O prólogo fica confuso quando é executado em ^-sequência. Um espaço deve ser inserido entre ^e -para analisar a expressão corretamente.

Espero que seu professor não se importe com a bagunça da equação.

Tempo louco:

59 ?- d(x^x,O).
O = 1*x*x^ (x-1)+ln(x)*1*x^x.

60 ?- d((x^2-x+1)*4^ -x,O).
O = (1*2*x^ (2-1)+ln(x)*0*x^2-1+0)*4^ -x+ (x^2-x+1)* (0* -x*4^ (-x-1)+ln(4)* - 1*4^ -x).

C, 260

Ei, acho que conheço seu professor! Não é aquele que tem a capacidade sobrenatural de detectar estudantes executando funções de correspondência de padrões de biblioteca em sua cabeça?

Então, usar sscanfestá fora de questão ... Mas não se preocupe:

#define P s--||printf(
q=94,s,c,t,a;main(){char i[999],*p=i,*e=p;gets(i);for(;c=*p++,t=q^94|c^45?c%26==16?c%16/3:c/46:1,s=(a="30PCqspP#!C@ #cS` #!cpp#q"[s*5+t])/16-3,a&1&&(p[-1]=0),t||(P"*0"),P"/x"),P"/x*%s",e),P"*ln(%s)",e),s=0),a&2&&(e=p),c;putchar(q=c));}

Exemplos em execução (entrada ativada stdin; saída vai para stdout):

4 * x ^ 3-2

4*x^3/x*3-2*0

Esse formato é muito melhor do que apenas 12*x^2, porque dessa maneira seu professor pode ter certeza de que você calculou a resposta sozinho e não trapaceou, copiando-a de outra pessoa!

x + 2 ^ x

x/x+2^x*ln(2)

A saída tem um pequeno problema de domínio x=0, mas está correta em quase todos os lugares !

Para referência, aqui está uma versão não-destruída e legível (por meros mortais). Ele usa uma máquina de estados com 5 estados e 5 categorias de caracteres de entrada.

void deriv(char* input)
{
    char* p = input; // current position
    char* exp = p; // base or exponent
    char q = '^'; // previous character

    // State machine has 5 states; here are examples of input:
    // state 0: 123
    // state 1: 123*
    // state 2: 123*x
    // state 3: 123*x^456
    // state 4: 123^x
    int state = 0;

    // Control bits for state machine:
    // bit 0: special action: stop recording base or exponent
    // bit 1: special action: start recording base or exponent
    // bits 4-7: if first column, specify how to calculate the derivative:
    //              3 - multiply the constant term by 0
    //              4 - divide x by x
    //              5 - divide x^n by x and multiply by n
    //              6 - multiply n^x by ln(n)
    // bits 4-7: if not first column, specify the next state
    //              (plus 3, to make the character printable)
    const char* control =
        "\x33\x30\x50\x43\x71"
        "\x73\x70\x50\x23\x21"
        "\x43\x40\x20\x23\x63"
        "\x53\x60\x20\x23\x21"
        "\x63\x70\x70\x23\x71";

    for (;;) {
        int c = *p++;

        // Convert a char to a category:
        // category 0: // - +
        // category 3: // *
        // category 2: // x
        // category 4: // ^
        // category 1: // numbers: 0...9 and decimal point
        int category;
        int action;    

        if (q == '^' && c == '-')
            category = 1; // unary minus is a part of a number
        else
            category = c%26==16?c%16/3:c/46; // just does it

        // Load new state and action to do
        action = control[state * 5 + category];

        if (action & 1)
            p[-1] = 0;
        state = (action >> 4) - 3;
        if (category == 0)
        {
            if (state == 0)
                printf("*0");
            if (state == 1)
                printf("/x");
            if (state == 2)
                printf("/x*%s", exp);
            if (state == 3)
                printf("*ln(%s)", exp);
            state = 0;
        }
        if (action & 2)
            exp = p;

        if (c == 0 || c == '\n') // either of these can mark end of input
            break;

        putchar(c);
        q = c;
    }
}

PS Cuidado com essa getsfunção: ela possui uma vulnerabilidade de segurança que pode deixar seu professor executar um rootkit em sua mente, fornecendo informações muito longas ...

Lua 296 268 263

function d(a)l=""i=a:find"x" if i then if a:sub(i-1,i-1)=="^"then l="log("..a:sub(1,i-2)..")*"..a elseif a:sub(i+1,i+1)=="^"then l=a:sub(i+2).."*"..a:sub(1,i)p=a:sub(i+2)-1 if p~=1 then l= l..a:sub(i+1,i+1)..p end else l=a:sub(1,i-2)end else l="0"end return l end

Não muito golfed e atualmente não pode lidar com vários termos (você pode simplesmente executá-lo algumas vezes, certo?), Mas ele pode manipular n^x, x^ne ncomo entrada.

Ungolfed ...

function d(a)
   l=""
   i=a:find"x"
   if i then
      if a:sub(i-1,i-1)=="^" then
         l="log("..a:sub(1,i-2)..")*"..a
      elseif a:sub(i+1,i+1)=="^" then
         l=a:sub(i+2).."*"..a:sub(1,i)
         p=a:sub(i+2)-1 -- this actually does math here
         if p~=1 then
            l= l..a:sub(i+1,i+1)..p
         end
      else
         l=a:sub(1,i-2)
      end
   else
      l="0"
   end
   return l
end

ECMAScript 6, 127 bytes

Aqui está minha tentativa de regex (usando um único regex e alguma lógica no retorno de chamada de substituição):

i.replace(/(^|[*+-])(\d+|(?:([\d.]+)\^)?(x)(?:\^(-?[\d.]+))?)(?![.*^])/g,(m,s,a,b,x,e)=>s+(b?'ln'+b+'*'+a:e?e--+'*x^'+e:x?1:0))

Isso espera que a string de entrada seja armazenada ie simplesmente retorna o resultado. Experimente em um console compatível com ECMAScript 6 (como o Firefox).

sed, 110

Tomando muito literalmente "Eles não precisam ser simplificados ou formatados exatamente como mostrado acima, desde que fique claro o que a resposta está dizendo":

s/.*/__&_/;s/x\^(-?[0-9.]+)/\1*x^(\1-1)/g;s/([0-9.]+)\^/ln\1*\1^/g;s/([^(][-+_])[0-9.]+([-+_])/\10\2/g;s/_//g

A contagem de bytes inclui 1 para o rsinalizador.

Ungolfed, com comentários:

# Add underscores before and after the string, to help with solo-constant recognition
s/.*/__&_/
# Power rule: replace x^c with c*x^(c-1) where c is a number
s/x\^(-?[0-9.]+)/\1*x^(\1-1)/g
# Exponentials: replace c^ with lnc*c^ where c is a number
# (This assumes that there will be an x after the ^)
s/([0-9.]+)\^/ln\1*\1^/g
# Constants: replace ?c? with ?0? where c is a number and ? is +, -, or _
# Except if it's prededed by a parenthesis then don't, because this matches c*x^(c-1)!
s/([^(][-+_])[0-9.]+([-+_])/\10\2/g
# Get rid of the underscores
s/_//g

Exemplo de execução:

$ cat derivatives.txt
-3
8.5
x^0.5
x^-7
0.5^x
7^x
3*x^5
-0.1*0.3^x
-5*x^2+10-3^x

$ sed -re 's/.*/__&_/;s/x\^(-?[0-9.]+)/\1*x^(\1-1)/g;s/([0-9.]+)\^/ln\1*\1^/g;s/([^(][-+_])[0-9.]+([-+_])/\10\2/g;s/_//g' derivatives.txt
-0
0
0.5*x^(0.5-1)
-7*x^(-7-1)
ln0.5*0.5^x
ln7*7^x
3*5*x^(5-1)
-0.1*ln0.3*0.3^x
-5*2*x^(2-1)+0-ln3*3^x

Aposto que isso poderia ser jogado ainda mais; é a minha primeira tentativa sed. Diversão!

Ruby, 152

... ou 150, se você não precisar imprimir ... ou 147, se também estiver de acordo com uma matriz que você precisa para se juntar.

correr com ruby -nal

p gsub(/(?<!\^)([-+])/,'#\1').split(?#).map{|s|s[/x\^/]?$`+$'+"x^(#{$'}-1)":s[/-?(.*)\^(.*)x/]?s+"*ln(#{$1}*#{$2[0]?$2:1})":s[/\*?x/]?($`[0]?$`:1):p}*''

ungolfed:

p gsub(/(?<!\^)([-+])/,'#\1').split(?#). # insert a # between each additive piece, and then split.
map{ |s|                                 
    if s[/x\^/]                          # if it's c*x^a
        $` + $' + "x^(#{$'}-1)"          #      return c*ax^(a-1)
    elsif s[/-?(.*)\^(.*)x/]             # if it's c*b^(a*x)
        ln = $1 + ?* + ($2[0] ? $2 : 1)  #      return c*b^(a*x)*ln(b*a)
        s+"*ln(#{ln})"
    elsif s[/\*?x/]                      # if it's c*x
        ($`[0] ? $` : 1)                 #      return c
    else                                 # else (constant)
        nil                              #      return nil
    end
}*''

Meu principal problema com este é o número de caracteres que a divisão adequada leva. A única outra maneira em que eu conseguia pensar era em split(/(?<!\^)([-+])/)dar +e -como seus próprios resultados. Alguma dica para uma solução melhor?

Além disso, existe uma maneira mais curta de retornar, sse não estiver vazio, mas retornar y? Eu já usei s[0]?y:s? Em JS eu apenas faria s||y, mas ""é verdade em Ruby.