[하스켈 기초][CIS194] 1강 하스켈 소개 - 연습문제 풀이


1강 연습 문제를 풀어보자.

카드 검증

연습문제 1

정수의 각 자리의 숫자를 리스트로 돌려주는 다음과 같은 함수를 정의하라.

  • toDigits :: Integer -> [Integer]
  • toDigitsRev :: Integer -> [Integer]

0이나 음수에 대해서는 빈 리스트를 반환하라.

예제:

toDigits 1234 == [1,2,3,4]
toDigitsRev 1234 == [4,3,2,1]
toDigits 0 == []
toDigits (-17) == []

해법

크게는 두 가지 계통의 방법이 있을 것이다.

  1. 편하지만 느린 방법: 정수를 일단 문자열로 만들 수만 있다면(대부분의 언어는 이런 변환 함수를 제공한다) 문자열을 다시 수로 변환하면 된다. 예를 들어 1234"1234"로 변환하면 하스켈에서 이는 ['1','2','3','4']라는 리스트와 같으므로 다시 이 리스트의 각 숫를 그에 해당하는 정수 값으로 바꾸면 된다.

  2. 정수를 사용하는 방법: 어떤 수 x를 10으로 나눈 나머지와 10으로 나눈 몫의 2가지 부분으로 나눌 수 있다. 예를 들어 1024(102,4)로 나누는 함수 remdiv가 있다면, 102에 다시 remdiv를 적용하면 (10,2)을 얻을 수 있고, 10에 한번 더 remdiv를 적용하면 (1,0)을 얻을 수 있다. 여기서1은 10보다 작으므로 더이상 remdiv를 적용할 필요가 없다. 이제 10보다 작아진 몫을 맨 앞에 쓰고, 지금까지 구했던 나머지를 역순으로 쓰면 1,0,2,4를 얻을 수 있다.

구현

첫번째 방법을 구현하려면 정수를 문자열로 바꾸는 함수를 알아야 한다. 구글링을 해보면 스택오버플로우에서 show가 수를 문자열로, read가 문자열을 수로 바꿔준다고 한다. 어? 그럼 혹시 Charread로 수로 바꿀 수 있지 않을까? 한번 ghci에서 실험해보자.

Prelude> read '1' :: Integer

<interactive>:4:6: error:
    ? Couldn't match type Char with [Char]
      Expected type: String
        Actual type: Char
    ? In the first argument of read, namely '1'
      In the expression: read '1' :: Integer
      In an equation for it: it = read '1' :: Integer
Prelude> read ['1'] :: Integer
1

타입 에러가 난다. 뭐.. ['1'] 처럼 []로 문자를 둘러싸면 해결되니 일단 이걸로 만족하자. 필요하면 더 구글링해서 Char의 유니 코드 값을 구해서 48('0'의 코드값)을 빼면 되겠지만 오늘은 이걸로 만족하자.

(2018년 1월 1일: Data.Char에 보면 digitToInt라는 연산이 있다. 16진수의 문자(0-9,a-f,A-F)를 그에 상응하는 수로 바꿔준다.)

문자열을 수 리스트로 바꿔주는 함수를 정의해야 한다. toDigitList라는 함수를 하나 만들자. 재귀적으로 리스트의 첫번째 원소를 read를 사용해 바꿔주면 될 것이다. 리스트 패턴 매치 방법을 다시 기억해보자.

toDigitsRev는 물론 toDigits를 하고 그 결과를 뒤집으면 된다. 일단 오늘은 그 정도 수준에서 만족하자.

아직은 본격적인 테스트 프레임워크 등을 사용할 수는 없으므로 ==를 사용한 비교로 테스트를 수행한다.

-- ex1-1.hs
import Control.Exception  -- assert를 사용하기 위해 임포트

toDigitList :: [Char] -> [Integer]
toDigitList [] = []
toDigitList (x:xs) = (read [x] ::Integer) : toDigitList xs 

toDigits :: Integer -> [Integer]
toDigits n 
  | n <= 0 = []
  | otherwise = toDigitList (show n)

toDigitsRev :: Integer -> [Integer]
toDigitsRev n = reverse (toDigits n) 

-- test 코드
test v1 v2 s = assert (v1==v2) s

-- 최상위 수준에 날 식이 들어가면 `parse error: naked expression at top level`이라는 오류가 나옴 
-- 리스트를 만들고 리스트를 출력하는 함수를 만들어서 `doTest`라는 이름을 붙이자.

testValue = [
  test (toDigitList ['0','1']) [0,1] "toDigitList[0,1] success",
  test (toDigitList []) [] "toDigitList[] success",
  test (toDigits 1) [1] "toDigits 1 success",
  test (toDigits 101023) [1,0,1,0,2,3] "toDigits 101023 success",
  test (toDigits 9876543210987654321) [9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,9,8,7,6,5,4,3,2,1] "toDigits 987654321987654321 success",
  test (toDigitsRev 101023) [3,2,0,1,0,1] "toDigitsRev 101023 success",
  test (toDigitsRev2 101023) [3,2,0,1,0,1] "toDigitsRev2 101023 success"
            ]

doTest = print testValue

연습문제 2

리스트의 맨 끝을 기준으로 매 2번째마다 있는 수를 2배하는 함수를 만들라.

  • doubleEveryOther :: [Integer] -> [Integer]

예제:

doubleEveryOther [8,7,6,5] == [16,7,12,5]
doubleEveryOther [1,2,3] == [1,4,3]

해법

오른쪽부터 매 2번째 원소를 2배 해야 한다. 왼쪽부터 따져서 매 2번째 원소를 2배하기는 쉽다. 일단 그것부터 생각해보자. 재귀적 해법을 찾을 수 있을까?

  1. 원소가 없는 리스트는 그냥 []를 반환한다.
  2. 원소가 1개는 리스트는 그 원소를 반환한다.
  3. 원소가 2개 이상 있는 리스트는 1번째 원소는 그대로, 2번째 원소는 2배한 다음에, 지금 이야기하는 해법을 나머지 리스트에 적용해 서로 이어붙인다.

이 해법이 제대로 작동함을 어떻게 증명할 수 있을까? 수학적 귀납법을 쓰면 된다. 여기선 원소 개수에 대해 귀납법을 쓰면 될 것이다. 연습문제로 남겨둔다.

일단 이렇게 매 2번째 원소를 2배하는 알고리즘이 있다면 리스트를 뒤집고 이 알고리즘을 적용한 다음에 다시 결과 리스트를 뒤집으면 쉽게(하지만 컴퓨터는 고생한다) 목표를 달성할 수 있다.

리스트 길이를 한번에 알 수 있다면 길이를 가지고 짝/홀수에 따라 알고리즘을 구성할 수 있지만 길이를 측정하기 위해 1번, 알고리즘이 또 1번, 이렇게 최소 두번은 어쩔 수 없이 리스트 원소를 모두 뒤져야 한다. 이렇게 구현하는 것은 나중에 심심할때 한번 해보기로 한다.

구현

딱히 힘든 부분이 없다.

-- ex1-2.hs
import Control.Exception  -- assert를 사용하기 위해 임포트

doubleEveryOtherFromLeft :: [Integer] -> [Integer]
doubleEveryOtherFromLeft [] = []
doubleEveryOtherFromLeft (x:[]) = x:[]
doubleEveryOtherFromLeft (x1:x2:xs) = x1:(x2*2):(doubleEveryOtherFromLeft xs)

doubleEveryOther :: [Integer] -> [Integer]
doubleEveryOther xs = reverse (doubleEveryOtherFromLeft (reverse xs))

-- test 코드
test v1 v2 s = assert (v1==v2) (s)

deol = doubleEveryOtherFromLeft
deor = doubleEveryOther

testValue = [
    test (deol [1,2,3,4]) [1,4,3,8] "deol [1,2,3,4]",
    test (deor [1,2,3,4]) [2,2,6,4] "deor [1,2,3,4]"
            ]

doTest = print testValue

연습문제 3

2자리나 1자리 수가 섞인 리스트의 모든 숫자를 더하는 함수를 만들라.

  • sumDigits :: [Integer] -> Integer

예제:

sumDigits [16,7,12,5] = 1 + 6 + 7 + 1 + 2 + 5 = 22

해법

다양한 방법이 있을 것이다.

먼저 생각할 수 있는 방법은 리스트 원소 중에 두자리 수를 두개의 한자리 수로 바꿔주는 함수를 만들고, 그렇게 변환한 리스트에 대해 리스트트의 모든 원소의 합계를 구하는 함수를 적용하는 방법이다.

다음 방법으로는 두자리 수는 각 자리의 숫자의 합계를 구해주고(예: 17 => 1+7 => 8) 한자리 수는 그 수를 그대로 반환하는 함수를 사용하는 방법이 있다. 리스트의 모든 원소에 대해 이 함수를 적용해가면서 모든 원소의 합계를 구하면 쉽게 sumDigits를 만들 수 있다.

구현

첫번째 방식이나 두반째 방식에서 모두 두자리 수의 값은 최대 18(0~9의 아라비아 숫자에 해당하는 수를 2배한 것이므로)이다. 따라서 함수의 입력 값이 제한되므로 10을 넘는지만 가드를 사용해 판단하면 쉽게 함수를 적용할 수 있다.

첫번째 방식을 생각해 보자. 두자리 수를 두개의 한자리 수, 한자리 수를 그자신으로 바꿔주는 함수의 타입은 뭐가 되야 할까? Integer가 (유일한) 파라미터의 타입이라는 사실은 쉽게 알 수 있다. 반환 타입은 [Integer]가 적당할 것이다. 한자리 수와 두자리 수가 반환하는 수의 개수가 2개와 1개로 다른데 리스트로 처리하면 이를 자연스럽게 처리할 수 있다. 입력 검사 등은 생략한다.

numToOneDigitValues :: Integer -> [Integer]
numToOneDigitValues n 
  | n >= 10 = [1,n-10] -- n이 0부터 18 사이라는 사실을 활용
  | otherwise = [n]

이 함수를 가지고 리스트의 모든 원소를 변환하자. 이를 위해 [Integer] 리스트의 모든 원소에 대해 Integer -> [Integer]인 함수를 적용한 결과를 리스트로 모아 돌려주는 함수를 만들 수 있다.

transform :: [Integer] -> (Integer->[Integer]) -> [[Integer]] 
transform [] f = []
transform x::xs f = f(x) : transform x xs 

transformnumToOneDigitValues가 있으면 정수 리스트를 받아서 정수 리스트의 리스트를 만들 수 있다. 그 리스트의 각 리스트에 들어있는 모든 원소를 펼쳐주는 함수를 만들자. 각 원소가 리스트이므로 리스트 뒤에 리스트를 이어붙이는 함수가 필요하다.

append :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]
append [] ys = ys 
append (x:xs) ys = x : append xs ys

이렇게 리스트에 리스트를 이어붙이는 함수가 있으면 리스트안에 리스트가 들어있을 때 모든 리스트의 원소를 펼친 단일 리스트로 만드는 함수를 만들 수 있다.

flatten :: [[Integer]] -> [Integer]
flatten [] = []
flatten xs::xss = append xs (flatten xss)

이제 펼친 리스트가 있으면 리스트 안의 모든 원소를 더하는 sumList를 만들 수 있다.

sumList :: [Integer] -> Integer
sumList [] = 0
sumList (x:xs) = x + sumList xs

이 모든 함수가 준비되면 실제 구현은 단순하다.

sumDigits :: [Integer] -> Integer
sumDigits xs = sumList (flatten (transform xs numToOneDigitValues))

flatten, append, transform, sumList 와 같은 함수는 리스트를 처리할 때 자주 보게 될 함수다. 나중에 (아마도) 강의에서 이에 대해 다뤄주리라 생각한다.

방금까지 구현한 내용을 한 파일에 저장하면 다음과 같다.

-- ex1-2.hs
import Control.Exception  -- assert를 사용하기 위해 임포트


numToOneDigitValues :: Integer -> [Integer]
numToOneDigitValues n 
  | n >= 10 = [1,n-10] -- n이 0부터 18 사이라는 사실을 활용
  | otherwise = [n]

transform :: [Integer] -> (Integer->[Integer]) -> [[Integer]] 
transform [] f = []
transform (x:xs) f = f x  : transform xs f

append :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]
append [] ys = ys 
append (x:xs) ys = x : append xs ys

flatten :: [[Integer]] -> [Integer]
flatten [] = []
flatten (xs:xss) = append xs (flatten xss)

sumList :: [Integer] -> Integer
sumList [] = 0
sumList (x:xs) = x + sumList xs

sumDigits :: [Integer] -> Integer
sumDigits xs = sumList (flatten (transform xs numToOneDigitValues))

-- test 코드
test v1 v2 s = assert (v1==v2) (s)

ntodv = numToOneDigitValues

testValue = [
    test (ntodv 1) [1] "ntodv 1",
    test (ntodv 18) [1,8] "ntodv 1",
    test (transform [1,18] ntodv) [[1],[1,8]] "transform [1,18]",
    test (transform [1] ntodv) [[1]] "transform [1]",
    test (transform [17] ntodv) [[1,7]] "transform [17]",
    test (append [] []) [] "append [] []",
    test (append [1] []) [1] "append [1] []",
    test (append [] [2]) [2] "append [] [2]",
    test (append [1,2] []) [1,2] "append [1,2] []",
    test (append [] [1,2]) [1,2] "append [] [1,2]",
    test (append [1,2] [3,4]) [1,2,3,4] "append [1,2] [3,4]",
    test (append [1,2,3,4] [5,6,7,8]) [1,2,3,4,5,6,7,8] "append [1,2,3,4] [5,6,7,8]",
    test (flatten [[]]) [] "flatten [[]]",
    test (flatten [[1]]) [1] "flatten [[1]]",
    test (flatten [[1],[2,3],[4,5,6]]) [1,2,3,4,5,6] "flatten [[1],[2,3],[4,5,6]]",
    test (flatten [[1,2,3],[2,3,4],[3,4,5]]) [1,2,3,2,3,4,3,4,5] "flatten [[1,2,3],[2,3,4],[3,4,5]]",
    test (sumList []) 0 "sumList []",
    test (sumList [1]) 1 "sumList [1]",
    test (sumList [1..10]) 55 "sumList [1..10]",
    test (sumDigits [12,3,4,5,6,7,8,9,10]) 46 "sumDigits [12,3,4,...,10]",
    test (sumDigits [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]) 46 "sumDigits [12,3,4,...,10]"
            ]

doTest = print testValue

연습문제 4

카드를 검증하는 함수를 만들라.

  • validate :: Integer -> Bool

이 함수는 앞에서 정의한 함수들을 활용해야 한다.

예제:

validate 4012888888881881 = True
validate 4012888888881882 = False

해법

카드 번호를 toDigits로 수의 리스트로 만들고, doubleEveryOther로 오른쪽부터 매 2번째 있는 수를 2배한 다음에, sumDigits로 모든 숫자를 더해서 10으로 나눠보면 된다.

구현

더이상의 설명은 생략한다.

validate :: Integer -> Bool
validate n = sumDigits (doubleEveryOther (toDigits n)) == 0

하노이 탑

하노이 탑은 워낙 유명한 문제라 전산 전공이라면 한번쯤은 플어봤을 것이다. 별로 어렵지 않다. 알고리즘 설명을 그대로 코드로 옮기자.

문제에서는 hanoi n "a" "c" "b"에 대한 알고리즘을 설명했다. 이를 hanoi n src tgt tmp를 호출한 것으로 생각하고 다시 적어보면 다음과 같다.

  1. n-1개의 디스크를 src에서 tmp로 옮겨라. 이때 tgt를 임시 저장 기둥으로 사용한다.
  2. src에 있는 디스크(가장 큰 디스크일 것임)를 tgt로 옮겨라.
  3. tmp에 있는 n-1개의 디스크(1에서 옮겼음. 순서대로 놓여있을 것임)를 tmp에서 tgt로 옮긴다. 이때 src를 임시 저장 기둥으로 사용할 수 있다.

이를 함수 호출 표현으로 바꾸면 다음과 같다.

  1. 재귀적으로 hanoi (n-1) src tmp tgt를 호출한다.
  2. 1의 결과 리스트 뒤에 (src, tgt)라는 무브를 추가한다.
  3. 재귀적으로 hanoi (n-1) tmp tgt src를 호출한 결과 리스트를 2의 결과 리스트에 추가한다.

한편, n이 0이면 디스크를 옮길 필요가 없다.

이제 이를 하스켈 코드로 표현하기만 하면 된다. 하스켈에서는 항상 타입을 기준으로 가능한 연산이 뭔지 고민하는 습관을 들여야 한다.

  1. hanoi (n-1) src tmp tgt[Move] 타입이다.
  2. (src, tgt)라는 무브는 Move 타입이다.
  3. hanoi (n-1) tmp tgt src[Move] 타입이다.

1,2,3을 연결하려면 [Move] 타입의 리스트 뒤에 Move 타입인 원소를 하나 추가해서 만들어진 리스트 뒤에 [Move] 타입의 리스트를 덧붙여야 한다. 리스트 맨 끝에 원소를 추가하는 연산은 리스트 맨 끝에 원소가 하나뿐인 리스트를 추가하는 연산과 같다. 연습문제 3에서 만든 append 함수는 [Integer] 리스트 뒤에 [Integer] 리스트를 추가해 주는 것이었다. 이 함수를 그대로 가져와서 타입만 바꾸면 여기서 써먹을 수 있는 append가 된다.

type Peg = String
type Move = (Peg, Peg)

append :: [Move] -> [Move] -> [Move]
append [] ys = ys 
append (x:xs) ys = x : append xs ys

이제 앞에서 설명한 3가지 단계와 n이 0일때의 종료 조건을 하스켈 코드로 만들자.

hanoi :: Integer -> Peg -> Peg -> Peg -> [Move]
hanoi 0 src tgt tmp = []
hanoi n src tgt tmp = append (append (hanoi (n-1) src tmp tgt) [(src,tgt)]) (hanoi (n-1) tmp tgt src) 

하지만 함수 호출에 괄호가 많아 보기가 좋지 않다. mod를 백틱을 사용해 중위 호출한 것을 본따 다음과 같이 백틱을 활용해 append 호출을 중위 호출로 바꾸는 편이 낫다.

hanoi2 :: Integer -> Peg -> Peg -> Peg -> [Move]
hanoi2 0 src tgt tmp = []
hanoi2 n src tgt tmp = (hanoi2 (n-1) src tmp tgt) `append` [(src,tgt)]  `append` (hanoi2 (n-1) tmp tgt src) 

백틱을 사용해 중위 연산자처럼 쓸때는 함수 적용보다 우선순위가 낮다는 점을 활용해 괄호를 아예 없애면 다음과 같이 쓸 수도 있다.

hanoi3 :: Integer -> Peg -> Peg -> Peg -> [Move]
hanoi3 0 src tgt tmp = []
hanoi3 n src tgt tmp = hanoi3 (n-1) src tmp tgt `append` [(src,tgt)]  `append` hanoi3 (n-1) tmp tgt src

하노이탑 변형(탑이 4개)

아마도 최적의 방법은 다음과 같을 것이다.

hanoiFour n src tgt tmp1 tmp2를 호출한 경우:

  1. 절반의 디스크를 src에서 tmp1으로 옮겨라. 이때 tgt,tmp2를 임시 저장 기둥으로 사용한다.
  2. 1에서 옮기고 남은 디스크들을 src에서 tgt로 옮겨라. 이때는 tmp1에 작은 디스크들이 있기 때문에 tmp2만을 임시 저장기둥으로 사용해야 한다.
  3. 절반의 디스크를 tmp1에서 tgt로 옮겨라. 이때 src,tmp2를 임시 저장 기둥으로 사용한다.

1에서 몇개의 디스크를 옮기느냐에 따라 알고리즘의 복잡도가 달라질 것 같다. 이 알고리즘이 최적인지는 옮기는 개수를 정하는 규칙에 따라 전체 옮기는 횟수가 어떻게 될지 점화식 등으로 표현한 다음에 최소값을 구하는 방식으로 증명할 수 있을 것 같다.

구현? 내가 페르마는 아니지만 여백이 모잘라서…

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