Python秒算24点实现及原理详解
作者：上海小胖
什么是24点
我们先来约定下老王和他媳妇玩的24点规则：给定4个任意数字（0-9），然后通过+,-,*,/，将这4个数字计算出24。
小时候玩的都是这个规则，长大了才有根号，才有各种莫名其妙的高级算法，不好玩了，因为我不会。
可能有人会觉得很简单，但是真的简单吗？
比如：
8，3，3，3
7，3，3，3
你能一眼看出来答案吗？好像真的可以……
大致思路
这样想，将四个数字进行全排列，在他们之间添加运算符号。
运算符我们需要进行排列组合，因为只有四个数字，所以只需要三个运算符，而且算法符可能会重复，比如三个都是+。
再遍历四个数字的全排列，对每一组数字而言，遍历所有组合的操作符。最后将数字和操作符进行拼接运算，就可以得到最终结果了。
演示环境
操作系统：windows10
python版本：python 3.7
代码编辑器：pycharm 2018.2
使用模块：math，itertools, collections.abc
具体代码
1、首先我们对所有数字进行去全排列，这里我们使用 itertools.permutations 来帮助我们完成。
iertools.permutations 用法演示
from itertools import permutations data_list = permutations([1,2,3,4],2) for data in data_list: print(data)
结果显示
(1, 2) (1, 3) (1, 4) (2, 1) (2, 3) (2, 4) (3, 1) (3, 2) (3, 4) (4, 1) (4, 2) (4, 3)
permutations 第一个参数是接收一个课迭代的对象，第二个参数指定每次排列时从课迭代对象中选着几个字符进行排列。也可以不传入第二个参数，那么默认就是可迭代对象的长度。并且返回一个生成器。
所以我们需要对所有数字进行全排列，就可以像下面这样写：
def get_all_data_sequence(data_iter): return permutations(data_iter)
2、然后我们需要拿到所有的操作运算符的所有组合方式。这里我们就会使用 itertools.product 函数了。
itertools.product 用法演示
from itertools import product
sequence1 = product('ABCD','xy')
sequence2 = product([0,1],repeat=3)
for sequence in sequence1:
print(sequence)
print('-'*30)
for sequence in sequence2:
print(sequence)
结果显示
('A','x')
('A','y')
('B','x')
('B','y')
('C','x')
('C','y')
('D','x')
('D','y')
------------------------------
(0, 0, 0)
(0, 0, 1)
(0, 1, 0)
(0, 1, 1)
(1, 0, 0)
(1, 0, 1)
(1, 1, 0)
(1, 1, 1)
itertools.product，返回传入所有序列中笛卡尔积的元祖，repeat参数表示传入序列的重复次数。返回的是一个生成器。
那么获取所有的操作运算符就可以通过这个函数来获取了
def get_all_operations_sequence(): operations = ['+','-','*','/'] return product(operations,repeat=3)
3、现在我们已经拿到了所有可能组合的操作符和数字了，接下来就需要对他们进行拼接了。然后执行运算。
这一步操作我们会用到 itertools.zip_longest() 和 itertools.chain.form_iterable() 函数。
itertools.zip_longest() 用法演示
data = zip_longest([1,2,3,4],['*','-','+'],fillvalue='') for value in data: print(value)
结果显示
(1, '*') (2, '-') (3, '+') (4, '')
zip_longest() 其实和 python 内置的 zip() 函数用法差不多，只是 zip_longest 是以最长的一个序列为基准，缺失值就使用 fillvalue 参数的值进行填充
itertools.chain.form_iterable() 用法演示
data = zip_longest([1,2,3,4],['*','-','+'],fillvalue='') data_chain = chain.from_iterable(data) for value in data_chain: print(value)
结果显示
1 * 2 - 3 + 4
这里的data是什么样的大家知道了吧，然后我们将data传入 chain.form_iterable() 中，它就能将里面的值依次拿出来。
了解了这两个函数之后，那么我们就可以开始拼接数字和操作运算符了。
def calculate(self):
'''
计算值，返回对应的表达式和值
:return:
'''
for data_sequence in get_all_data_sequence():
operation_sequences = get_all_operation_sequence()
for operation_sequence in operation_sequences:
value = zip_longest(data_sequence, operation_sequence,
fillvalue='')
value_chain = chain.from_iterable(value)
calculate_str = ''
# 对得到的字符进行拼接成为表达式 calculate_str
for _ in value_chain:
calculate_str += _
try：
result = eval(calculate_str
# 处理被除数可能为零的情况，然后就直接跳过这次循环
except ZeroDivisionError:
continue
if math.isclose(result, 24):
return calculate_str,result
return None,None
代码分析
1、eval() 函数，接受一个字符串，能让这个字符串当成 python 代码运行，返回运行的结果。
2、math.isclose()：为什么这里需要使用 math.isclose() ，而不是直接使用==运算符呢？这是因为最后算出来的表达式可能有精度问题，例如23.9...或者24.0...等数字，所以我们就需要使用math.isclose()函数来帮助我们判断两个数字是否相等了，这个函数就有一个精度范围。这样出现上面情况的时候，我们也能匹配得到条件了。
我们运行代码，然后测试代码是否能达到我们的需求。
首先我们测试1,2,3,4四个数字，
程序出来了结果 1*2*3*4 24
看来好像我们写的代码是正确的
我们再来测试一组数据8,8,3,3.
嗯？我们并没有得到结果？这四个数字不能运算出24吗？
8 / ( 3 - 8 / 3 ) 这样组合可以吧，为什么没有算出来这种结果呢？
这是因为我们没有考虑括号的原因。括号是可以改变运算优先级的。所以我们得把括号考虑进去。
那么想一下括号最多可以有几个呢？怎样给我们的表达式添加括号呢？
在4个数字的运算中，括号最多只能有三个。
并且，在这里，我们使用一种简单的方法添加括号，我们把所有可能出现括号的情况全部罗列出来，然后在将得到的运算表达式拼接进去。
可能大家会觉得罗列出所有括号出现的情况不现实，因为有很多情况
其实不然，当我们去罗列的时候，你就会发现，只有11种情况。
FORM_STRS = [ # 数字 运算符 数字 运算符 数字 运算符 数字 # 一个括号 的情况 '(%s %s %s) %s %s %s %s', '(%s %s %s %s %s) %s %s', '(%s %s %s %s %s %s %s)', '%s %s (%s %s %s) %s %s', '%s %s (%s %s %s %s %s)', '%s %s %s %s (%s %s %s)', # 两个括号 的情况 '(%s %s %s) %s (%s %s %s)', '( (%s %s %s) %s %s) %s %s', '( %s %s (%s %s %s)) %s %s', '%s %s ((%s %s %s) %s %s)', '%s %s (%s %s (%s %s %s))', # 三个括号是重复的,就不用罗列出来了 ]
然后我们对得到的表达式在进行遍历拼接，然后我们再运算表达式。
这样我们就能得出正确的结果了
代码写完了，终于可以开始和媳妇，哦不，老王家的媳妇玩起来了
代码已全部上传至Github
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。