競技プログラミング練習会

2019 Normal

第1回　プログラミングの基礎講座

担当:zeke

プログラミング基礎

プログラミング経験がない人~少しある人向けに、競プロでよく使う知識を教えます。
競プロでは、C++という言語が主流でおすすめなので、C++を例にとって話します。

C++とは

プログラミング言語の１つ。
実行速度が速く、実行時間制限のある競プロに向いている。
標準ライブラリ（標準で使える関数の詰め合わせ）に含まれる関数が豊富。
競プロerに使ってる人が多いので、先輩やGoogle先生に聞きやすい。

基本的なこと

人間用のメモで実行されない部分のこと。
// の後はその行では全部コメント
複数行にコメントが渡る場合は、/* */の間に挟むと良い。

// ここからコメント
/* コメント
   コメント
   コメント　*/

文

プログラミングにおいて、;までの1節を文と呼ぶ。
今は分からなくても、今から例がいっぱい出てくるので、何となく分かるようになると思う。

int a; //これで1文
a = 5; //これも文

形式

普通はこう書くよっていうのを説明します。
1文ごとに改行する。
基本的に{}の中に1つ入るごとに[Tabキー]を押してコードを右にずらし、{}から出るごとに1つ左に戻す。
[Tab]1回分のスペースをインデントと呼ぶ。
多くのエディタはインデントを勝手にやってくれる。

//コードの中身は後でやるので、インデントに注目。
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main(){
    int a = 1;     //インデント1つ
    if(a>0){       //インデント1つ
        a++;       //インデント2つ
        if(a>2){   //インデント2つ
            a++;   //インデント3つ
        }          //インデント2つ
    }              //インデント1つ
}

エラーについて

エラーは自分のコードのどこが間違っているかを教えてくれるので、活用しよう。
エラーの種類
- コンパイルエラー
  - 文法の誤り
- 実行時エラー
  - 文法以外の計算中に発生する致命的な誤り
- 論理エラー
  - 普通に実行されるが、期待される値が出ない。

コンパイルエラー"CE"

自分の書いたコードを機械語に置き換える(翻訳する)ことをコンパイルという。
コードの文法が誤っていてコンパイルできないときにこのエラーが発生する。
特徴：そもそも実行されない。
具体的には
- 文末の';'忘れ
- (){}の対応が合っていない
- 全角スペース(コメントなどでしか使えない)
- 意味の通らないタイプミス

実行時エラー"RE"

文法に誤りはなく、コンパイルはできるが、実行中に致命的なエラーが発生し、それ以上実行できなくなったことを示すエラー。
特徴：エラーが発生する行まで実行される。
例えば…
- 0で除算
- 配列外参照(次回でやります)

論理エラー(不正解)"WA"

一見何の問題もなく実行されるが、期待された値が出力されない。
例えば…
- +と-を間違えてタイプ
  - タイプミス?
  - 勘違い?
- そもそも解法が嘘
一部のケースでは正しく動く(ように見える)こともあり、発見が困難。

基本演算

基本的な演算

変数宣言
代入
算術演算
比較演算
論理演算
代入演算

変数とは

変数とは、数字の代わりに値を入れておく文字列のこと。
変数は、複数回同じ数字を使って処理するときなどに、わかりやすくするために使うことが多い。

型とは

データの種類のこと。
以下のような型がよく用いられる。
- int型(整数型)
- double型(小数型)
- string型(文字列型)

変数宣言

変数宣言とは、変数をこれから使用すると明記すること。
この時に、変数の型(変数の性質)を決める。
これ以降、最も基本的な型であるint型について話す。

int value;  //変数valueをint型で宣言
double y;   //変数yをdouble型で宣言
string str; //変数strをstring型で宣言
int a,b;    //同じ型であれば複数の変数宣言を','でまとめられます

変数名に関する注意

変数名には条件があり、なんでも良いというわけではない。
利用できない変数名
- 数字から始まるもの。
- 他の変数名と重複しているもの。
- C++の内部で既に用いられている名前(int,doubleなど)を用いているもの。
これらを守らないと、コンパイルエラーが起きる。

代入

"="の記号により代入を示す。
"="の左の変数に右の値(変数でも良い)を入れる。

int x,y;//変数x,yを整数型で宣言
x = 1;//変数xに1を代入する
y = x;//変数yに変数xの中身である1を代入する

初期化

変数の宣言と代入は同時に行うことができる。
これを「変数を初期化する」という。

int x = 5;       //xを5で初期化
int answer = -8; //answerを-8で初期化
int y = x;       //変数で初期化することもできます
int a = 2,b = 3; //複数の初期化を','で区切って1文で行えます

算術演算

主に四則演算と剰余算のこと。
"*"を"×"の代りに、"/"を"÷"の代りにそれぞれ使う。
int型の割り算では、小数部分を切り捨てる。
"%"をa%b=(aをbで割った時の余り)のように定義。剰余算という。
以下では先ほどの代入と組み合わせて使っている。

int x;
x = 1+1;//xに1+1すなわち2を代入
x = 2-1;//xに2-1すなわち1を代入
x = 3*2;//xに3×2すなわち6を代入
x = 4/2;//xに4÷2すなわち2を代入
x = 4/3;//一般には4/3=1.33...だが、
        //int型の除算では小数が破棄されるので、4/3=1が代入される
x = 10%3;//xに10÷3の余りである1を代入

算術演算の順序

通常の計算と同様で、原則左から計算され、"*","/","%"の計算が優先される。
"(",")"によって他の演算に対し優先的に計算することもできる。

int x;
x = 1+1*2;      //xに1+1*2すなわち3を代入
x = 2*1+4*3;    //xに2+12=14を代入
x = 2*(1+4)*3;  //xに2*5*3すなわち30を代入
x = (2+3)*1+2/2;//xに5+1すなわち6を代入
x = 1+3%3;      //xに1+(3%3)=1+0=1を代入
x = x + 1;      //xにx+1=2を代入

論理値と比較演算

C++では、論理的に真であることを"1(or0以外)",偽であることを"0"として内部で処理しています。
この真偽を示す1,0のことを論理値などと呼ぶ。
比較演算とは、その比較が正しいと1(真)、誤りだと0(偽)を返す演算のこと。
例えば、1<2というのは真なので値として1を返します。

比較演算

比較演算に使われる演算子は"<",">","<=",">=", "==","!="の6つあります。
最初の2つはそのまま。
"<=",">="はそれぞれ"≤","≥"を示す。
"=="は左辺と右辺が等しい時に真となる。("="は代入なので注意)
"!="は左辺と右辺が等しくない時に真となる。
つまり、"!="は"≠"を示す。

1<2;   //真なので1を示す。
2<1;   //偽なので0を示す。
2<=3;  //真なので1を示す。
2==3;  //偽なので0を示す。
//2=3; //コンパイルエラー
2!=3;  //真なので1を示す。
int x = 1;
x>0;   //真なので1を示す。

論理演算

論理演算とは、比較演算による真偽の値を計算する演算。
「かつ」、「または」、「否定」の3種類があります。
次のページで具体的な説明をします。

論理演算

論理演算子として使われるものには"&&","||","!"の3つあります。
"&&"は「かつ」を表し、真と真を演算した時のみ真を返し、他の場合は偽を返す。
"||"は「または」を表し、どちらかが真であれば真を返し、共に偽であれば偽を返す。
"!"は「否定」を表し、直後の論理式が真であれば偽、偽であれば真を返します。

1<2&&2<3;//真かつ真なので真(1)を示す。
2<1&&2<3;//真かつ偽なので偽(0)を示す。
2<1||2<3;//真または偽なので真(1)を示す。
(1<2&&2<3)||(2<1&&2<3);//括弧の中はそれぞれ真、偽を示す。故に真または偽なので真(1)。
!(2<3);//真を否定しているので偽(0)を示す。

代入演算について

今の値を２増やしたい時( "x=x+2;")、少し不便。
実はこれを簡単な式("x+=2;")にできる。
単純な代入と併せて、これらを代入演算という。

代入演算

例えば、x=x+2;であれば、x+=2; のようにできる。
要は、算術演算子に'='をつけるだけ。

int x = 4,y = 5;
x += 3;   //x=x+3;   なので x=7
x -= 3;   //x=x-3;   なので x=4
x *= 2;   //x=x*2;   なので x=8
x /= 4;   //x=x/4;   なので x=2
x %= 2;   //x=x%2;   なので x=0
x += y+1; //右辺に変数を入れたり、複数の項を入れることもできます

インクリメント,デクリメント

プログラミングにおいて、しばしば1増やしたり、1減らしたりする処理が行われる。
毎回 x+=1; や x-=1; のように書くのは面倒。
++x;やx++;と書くとx+=1;という処理と(大体)同じになる。
--x;やx--;と書くとx-=1;という処理と(大体)同じになる。
増やす方を「インクリメント」、減らす方を「デクリメント」と呼ぶ。

インクリメント,デクリメントのおまけ

インクリメント：x++;や++x;のことで、x+=1;と同じ。
デクリメント：x--;や--x;のことで、x-=1;と同じ。
++,--は左右どちらにつけてもいい。
(厳密には異なるが割愛)

int x = 0;
++x; //x+=1; なので x=1
x++; //x+=1; なので x=2
--x; //x-=1; なので x=1
x--; //x-=1; なので x=0

標準入出力

標準入力と標準出力について

競プロでは、問題が抽象的で、採点のために、無作為（或いは間違いやすそう）な入力が与えられる。
この入力は(実行引数でなく、)「標準入力」によって与えられる。
そして、「標準出力」によって回答する。

例題

値として整数a,bが与えられる。
a+bを計算し、出力しなさい。
-1000≤a, b≤1000

入力例

出力例

3 5

例題を解くために

a+bを求めるだけなので解くのは簡単そう。
競プロでは、入力が複数個与えられ（今回の場合はa,bの値）、それら全てに正しく答えられれば、正解(AC)と見なされる。
では、実際どうやってデータを受け取り、どうやって答えようか？

標準入力

一般的な入力のこと。
これにより、外部からデータを受け取れる。
今回はcinというのをやります。

cin

cinでは、int型の場合なら、整数１つ(連続した数字)を受け取る。"cin>>x;"で実行。
つまり、空白,改行で区切られた整数を、自動で前から変数に入れてくれる。

int x;
cin >> x;//このようにcinの後に">>"を書き、その後に「入力された値」を入れる変数を書く。
         //元々xに値が入っている場合でも、書き換えられる。
         //">>"はcinからxに値が入っていくイメージ
int y,z;
cin >> y >> z;//連続して入力する場合はcin>>y;cin>>z;と書かなくてもこのように書ける。

下の例の場合はcin>>x>>y>>z;で

の入力により、x=311,y=51,z=2となる。

311

311 51 2

標準出力

一般的な出力のこと。
これによって値を外部(画面など)に出し、回答できる。
今回はcoutをやります。
回答の最後には必ず改行しましょう。

cout

coutでは、cout<<x;によって出力できる。（cinと向きが逆）
改行はcout<<endl;でできる。(End of Line)
空白、文字は" "で挟んで出力しよう。

int x = 1;
cout << x;                //coutの後に"<<"を書き、その後に出力する変数名を書く。
                          //"<<"はxからcoutに入れるイメージ
cout << endl;             //endlは行の終了を意味する。これを出力すると改行される。
cout << x << endl;        //連続して出力する場合はcin同様にまとめて書ける。
int y = 2;
cout << x+y << endl;      //演算後の値を出力できる。
cout << x << " " << y << endl;   //""で挟むことで、半角英数字,記号,空白を出力可能。
cout << "Hello, world!" << endl; //英文ももちろん出力できる。

実際のコード例

テンプレート

取り敢えずこれだけ書いて、"/*コード */"の代わりに今までのようなコードを書こう。
今日のコンテストをやる分にはこれだけ知っていれば十分。

#include<bits/stdc++.h>   //取り敢えず書く
using namespace std;      //取り敢えず書く
int main(){               //取り敢えず書く
 /* コード */              //今までやったようにコードを書く
}

例題のコード例

#include<bits/stdc++.h>   //取り敢えず書く
using namespace std;      //取り敢えず書く
int main(){               //取り敢えず書く
    int a,b;              //変数宣言
    cin >> a >> b;        //入力
    cout << a+b << endl;  //出力
}

特に難しいところはないと思う。
この書き方をマスターしよう。

条件分岐文if

先ほど行った、比較演算,論理演算の結果に応じて、{}内の文を選択的に実行する構文。
if(条件){文}で構成される。
()内が真(0以外)の時のみ実行される。

int x = 3;
int y = 4;
if(x < y&&x <= 3){ //x<yかつx<=3が真の時のみ実行される。
                   //今回は実行される。
    x++;
    y += x;
}
if(1){   //極端な話、これでも(ifの意味はないが)実行される。
    y++;
}

else

手前のifの条件を満たさないときに、そのifの直後のelseの{}内が実行される。
下記のような書き方("}else{")をする事が多い。
if文なしでは使えない。

int x = 5;
if(x < 4){ //今回は実行されない。
    x++;
}else{     //こっちが実行される。if(x>=4)と同じ。
    x--;
}

else if

手前のifの条件を満たさないときに、そのifの直後のelse ifの条件が満たされていれば、実行される。
if文なしでは使えない。

int x = 5;
if(x < 4){        //今回は実行されない。
    x++;
}else if(x < 6){  //上のif文で弾かれた時のみ、()内の判断が行われる。
                  //よって、この時の条件は4≤x<6である。こっちが実行される。
    x--;
}

複数の場合分け

if→else if→...→else if→elseのように分けることで、複数の場合分けに対応できる。

int x = 5;
if(x < 3){        //実行されない。
    x = 1;
}else if(x < 5){  //条件は3≤x<5であり、実行されない。
    x = 2;
}else if(x < 7){  //条件は5≤x<7であり、実行される。
    x = 3;
}else{            //条件は7≤x  であり、実行されない。
    x = 4;
}

繰り返し文for,while

繰り返し文

同じ文を何回も書くのは面倒。
繰り返されることが分かっているなら、後述する繰り返し文を使ってまとめられる。
今回はwhileとforの2種類を紹介する。

繰り返し文while

while(条件){文}
()内の条件が満たされている間、{}内が繰り返され続ける。
各ループの最初に条件の確認をする。
終了時には条件を満たさないようにしないと、無限にループしてしまうので注意(兵庫県警に捕まります)

繰り返し文while

()内の条件が満たされている間、{}内が繰り返され続ける。

int x = 5,a = 1;
while(x > 0){ //2^xを求める。
              //x=5から1ずつ減っているので、今回は5周する。
    a *= 2;
    x--;      //最後には条件を満たさないようにしないと永遠ループする羽目に
}

繰り返し文for

for(①;②;③){文}
①には変数の初期化
②には繰り返す条件
③には変数の値を更新する文
これらをそれぞれ書く
２つ目の部分の条件が満たされている間、{}内を繰り返す。
whileと同じく、各ループの最初に条件を確認する。
変数の値の更新は各ループの最後に行われる

繰り返し文for

for("初期化";"条件";"変数の更新"){文}と書く。

int x = 5,a = 1;
for(int i=0;i<x;++i){ //2^xを求める。
                      //i=0から1ずつ増えてi<x=5の間ループする。今回は5周する。
    a *= 2;
    //++i;              各ループの最後に変数の値の更新が行われる。
}
//ここでa=32

int b = 1;
for(;b<32;){          //必ずしも、変数初期化と値の更新はしなくても良い。
    b *= 2;           //そのため、このようにwhileと同様に書ける。
}

繰り返し文

for文の方がwhile文よりも複雑だが、その分、無限ループし難いので、初心者にはfor文がオススメ。(頑張って覚えよう)
もちろん状況によって使い分けてくれると、なお良い。

break,continue文

break文
- 今入っている中で、一番内側のループを抜ける。
continue文
- それ以下の処理を飛ばして次のループに移る。
- やや煩雑だが、下に続くif文が楽になる。

int x = 5, a = 1;
while(1){       //2^xを求める
    a *= 2;
    x--;
    if(x<=0){
        break;  //xが0以下になったら終了
    }
}

int x = 10, ans = 0;
//xまでの奇数の2倍と偶数の和を求める。
for(int i=1;i <= x;++i){ 
    if(i%2==1){    //奇数の時
        ans += 2*i;
        continue;
    }
    ans += i;   //偶数の時
                //elseが不要
}

終わり！

お疲れ様でした

コンテストやろう

最後に

オススメの勉強法

AtCoderというサイトが日本語で競プロができるので、挑戦してみよう。
まずは、AtCoderのAtCoder Programming Guide for Beginners (APG4b)が、初心者にオススメなので時間あるときに見るといいと思う。
それが終わったら、AtCoder Beginners Selection を上から解いていこう。

AtCoderのススメ

毎週末にコンテストを開いている
初心者～上級者向けのコンテストが存在
コンテストに参加することで、自分の強さを表すレートやランクを表す色が変化する

まずはABCに参加してみよう！

AtCoder Beginner Contest
大体の毎週末に開催される初心者向けコンテスト
同時に国内外の約8000人が参加
6問の出題
1~2問目は簡単なので、今の実力でも解けるかも！？
次のABCは　です

参考文献

プログラミングコンテストチャレンジブック第二版
- 通称蟻本。
- アルゴリズムのあれこれが載ってます。
- 競プロerのほとんどが持っている。
- 競プロやるなら、買って損はないと思います。
- 部室にも置いてます
AtCoder Programming Guide for Beginners(APG4b)
- プログラミングの基本部分についてはかなり参考にしています。
- こっちの方がその部分についてはかなり詳しいので、初心者なら一読の価値あり。

競技プログラミング練習会

2019 Normal

プログラミング基礎

プログラミング基礎

C++とは

基本的なこと

コメント

文

形式

エラーについて

コンパイルエラー"CE"

実行時エラー"RE"

論理エラー(不正解)"WA"

基本演算

基本的な演算

変数とは

型とは

変数宣言

変数名に関する注意

代入

初期化

算術演算

算術演算の順序

論理値と比較演算

比較演算

論理演算

論理演算

代入演算について

代入演算

インクリメント,デクリメント

インクリメント,デクリメントのおまけ

標準入出力

標準入力と標準出力について

例題

例題を解くために

標準入力

cin

標準出力

cout

実際のコード例

テンプレート

例題のコード例

条件分岐文if

条件分岐文if

else

else if

複数の場合分け

繰り返し文for,while

繰り返し文

繰り返し文while

繰り返し文while

繰り返し文for

繰り返し文for

繰り返し文

break,continue文

終わり！

最後に

オススメの勉強法

AtCoderのススメ

まずはABCに参加してみよう！

参考文献

第1回：プログラミング基礎

More from kmc_procon2020