Se após a substituição do x
o resultado for uma equação até de 2º grau em y
, então dá para resolver pela Fórmula de Bhaskara:
a*y^2 + b*y + c = 0
y = -b +- raiz(b^2 - 4*a*c)
-----------------------
2*a
O mais complicado é interpretar a entrada... Você precisa convertê-la do formato texto para um formato abstrato, que te permita manipular os elementos (fazer a multiplicação de termos, jogar termos da direita pra esquerda com sinal invertido, etc) até isolar a
, b
e c
.
O ideal é usar algum parser capaz de interpretar o seu formato desejado. Nessa resposta, vou dar uma sugestão bem simples, sem tratamento de erro nem nada, mas ainda capaz de interpretar equações simples como seu exemplo.
Análise léxica
Basicamente, uma sequência de dígitos é um número (que chamarei de c
- "constante"), x
é x
e y
é y
. Espaços são ignorados, e os operadores são =
, + e -
, * e /
e ^
, nessa ordem de precedência. Parênteses são um caso especial...
function token() {
var numero = /^-?\d+/.exec(s);
if ( numero ) {
s = s.substring(numero[0].length);
return variavel(0,0,parseInt(numero[0], 10)); // x^0 * y^0 * c
}
var simbolo = s[0];
s = s.substring(1);
if ( simbolo == "x" )
return variavel(1); // x^1 * y^0 * 1
if ( simbolo == "y" )
return variavel(0,1); // x^0 * y^1 * 1
if ( operadores[simbolo] )
return operadores[simbolo]();
if ( simbolo == " " )
return token(); // Ignora o espaço em branco
throw "Formato inválido";
}
Separar o texto em tokens é simplesmente o caso de ir retirando tokens do começo da string até ela acabar:
function lexica(str) {
var s = str;
function token() { ... }
var tokens = [];
while ( s.length > 0 )
tokens.push(token());
return tokens;
}
Análise sintática
Assumindo que variáveis e constantes têm precedência 0
, exponenciação 1
, multiplicação 2
, etc (i.e. a*b^c
é a*(b^c)
e não (a*b)^c
), se lermos os tokens da esquerda pra direita, e decidirmos quem entra dentro de quem, vamos terminar com uma árvore de expressões e sub-expressões:
function sintatica(tokens, i) {
var ret = undefined;
i = i || 0;
for ( ; i < tokens.length ; i++ ) {
if ( !ret || tokens[i].p >= ret.p ) { // Se o próximo da lista tem precedência maior
tokens[i].esq = ret; // a antiga raiz entra na esquerda dele
ret = tokens[i]; // e ele vira a raiz
}
else { // Senão, ele é inserido na direita da raiz
// mas se alguém na direita tem precedência menor que ele
for (var pai = ret ; pai.dir && pai.dir.p > tokens[i].p ; pai = pai.dir) { }
tokens[i].esq = tokens[i].esq || pai.dir; // então ele o coloca à sua esquerda
pai.dir = tokens[i]; // e toma o lugar dele
}
}
return [ret,i]; // No fim todos os tokens vão formar uma árvore, na precedência certa
}
Esse é um método bem simplório de se interpretar uma expressão. Ele associa à direita sempre, enquanto nem toda operação faz isso (a potência, por exemplo, associa à esquerda). De novo, sugiro procurar um parser mais completo para tornar seu sistema mais robusto.
Dito isso, vamos finalmente ao foco da pergunta:
Substituindo o x
No código acima, eu defini um tipo variavel
que é implementado da seguinte forma:
function variavel(x,y,c) {
return {
x:x || 0, // O expoente do x, padrão 0
y:y || 0, // O expoente do y, padrão 0
c:c || 1, // Uma constante, padrão 1
p:0, // A precedência é zero (não é um operador)
Ou seja, x
vira {x:1,y:0,c:1}
, y^2
vira {x:0,y:2,c:1}
e 42
vira {x:0,y:0,c:42}
. Também dá pra misturar, tipo 42*x*y^2
vira {x:1,y:2,c:42 }
, desde que o x
não passe de 1
(nessa representação; na entrada do usuário, pode). Representando as variáveis dessa forma, substituir o x
por um valor é simplesmente uma questão de multiplicar o c
pelo valor de x
, e passar o x
de 1
para 0
(se não havia x
, o valor não se altera).
substitui:function(x) { this.c *= this.x ? x : 1; this.x = 0; },
Nos operadores, basta substituir independentemente o lado esquerdo e o lado direito...
function substitui(x) {
this.esq.substitui(x);
this.dir.substitui(x);
}
Achando as parcelas
Depois de substituir o x
, queremos achar as parcelas e passar todas elas pra esquerda. Em alguns casos é fácil:
x^2 + 3*y^2 = 12 [x = 2]
==>
4 + 3*y^2 + (-12) = 0
Em outros é mais difícil:
(y + 1)^2
==>
(y + 1)*(y + 1)
(y*y) + (y*1) + (1*y) + (1*1)
A solução é fazer com que cada operador tenha um função pra transformar seus argumentos numa lista de parcelas. Uma variável/constante é uma parcela só:
function variavel(x,y,c) {
soma:function() { return [this]; },
Uma soma é simplesmente o conjunto das parcelas da esquerda mais o conjunto das parcelas da direita:
var operadores = {
"+":function(){
return {
p:3,
substitui:substitui,
soma:function() { return this.esq.soma().concat(this.dir.soma()); }
};
},
A multiplicação tem que multiplicar cada parcela da esquerda com cada parcela da direita:
"*":function(){
return {
p:2,
substitui:substitui,
soma:function() {
var esq = this.esq.soma(); // Acha todas as parcelas da esquerda
var dir = this.dir.soma(); // e todas da direita
var ret = [];
for ( var i = 0 ; i < esq.length ; i++ ) // Cada termo da esquerda
for ( var t = 0 ; t < dir.length ; t++ ) // Vezes cada termo da direita
ret.push(esq[i].vezes(dir[t]));
return ret;
}
};
},
Etc. Por fim, o operador =
têm de passar tudo que está na direita pra esquerda, com o sinal invertido:
"=":function(){
return {
p:4,
substitui:substitui,
soma:function() {
var ret = this.esq.soma();
var dir = this.dir.soma();
for ( var i = 0 ; i < dir.length ; i++ ) {
dir[i].c = -dir[i].c; // Passa pra esquerda, trocando o sinal
ret.push(dir[i]);
}
return ret;
}
};
},
Bhaskara
Por fim, é só aplicar a fórmula mencionada no início da resposta:
function avaliar(equacao, x) {
var raiz = sintatica(lexica(equacao))[0]; // Interpreta
raiz.substitui(x); // Substitui o x
var termos = raiz.soma(); // Transforma numa soma de termos
// Bhaskara
var a = 0, b = 0, c = 0;
for ( var i = 0 ; i < termos.length ; i++ ) {
if ( termos[i].y == 0 )
c += termos[i].c;
else if ( termos[i].y == 1 )
b += termos[i].c;
else if ( termos[i].y == 2 )
a += termos[i].c;
else
throw "Equação maior que segundo grau!";
}
if ( a == 0 )
return [-c/b] // Equação de primeiro grau
var rdelta = Math.sqrt(b*b - 4*a*c);
return [(-b + rdelta)/(2*a), (-b - rdelta)/(2*a)];
}
Exemplo completo:
Juntando o código acima, com uma ou outra coisinha a mais (os operadores que faltavam, e os parênteses - que têm precedência zero, mas "capturam" tudo o que tem dentro deles), temos um exemplo completo:
function substitui(x) {
this.esq.substitui(x);
this.dir.substitui(x);
}
var operadores = {
"=":function(){
return {
p:4,
substitui:substitui,
soma:function() {
var ret = this.esq.soma();
var dir = this.dir.soma();
for ( var i = 0 ; i < dir.length ; i++ ) {
dir[i].c = -dir[i].c; // Passa pra esquerda, trocando o sinal
ret.push(dir[i]);
}
return ret;
}
};
},
"+":function(){
return {
p:3,
substitui:substitui,
soma:function() { return this.esq.soma().concat(this.dir.soma()); }
};
},
"-":function(){
return {
p:3,
substitui:substitui,
soma:function() {
var ret = this.esq.soma();
var dir = this.dir.soma();
for ( var i = 0 ; i < dir.length ; i++ ) {
dir[i].c = -dir[i].c; // troca o sinal
ret.push(dir[i]);
}
return ret;
}
};
},
"*":function(){
return {
p:2,
substitui:substitui,
soma:function() {
var esq = this.esq.soma();
var dir = this.dir.soma();
var ret = [];
for ( var i = 0 ; i < esq.length ; i++ ) // Cada termo da esquerda
for ( var t = 0 ; t < dir.length ; t++ ) // Vezes cada termo da direita
ret.push(esq[i].vezes(dir[t]));
return ret;
}
};
},
"/":function(){
return {
p:1,
substitui:substitui,
soma:function() {
var ret = this.esq.soma();
var divisor = this.dir.c;
for ( var i = 0 ; i < ret.length ; i++ )
ret[i].c /= divisor;
return ret;
}
};
},
"^":function(){
return {
p:1,
substitui:substitui,
soma:function() {
var esq = this.esq.soma();
var potencia = this.dir.c;
var ret = esq;
while ( potencia-- > 1 ) { // Cada termo da esquerda multiplica com
var tmp = ret; // cada termo da esquerda n vezes
var ret = [];
for ( var i = 0 ; i < tmp.length ; i++ )
for ( var t = 0 ; t < esq.length ; t++ )
ret.push(tmp[i].vezes(esq[t]));
}
return ret;
}
};
},
"(":function(){
return { par:"(" };
},
")":function(){
return { par:")" };
}
};
function variavel(x,y,c) {
return {
x:x || 0,
y:y || 0,
c:c || 1,
p:0,
substitui:function(x) { this.c *= this.x ? x : 1; this.x = 0; },
soma:function() { return [this]; },
vezes:function(v) {
return variavel(this.x + v.x, this.y + v.y, this.c * v.c);
}
}
}
function lexica(str) {
var s = str;
function token() {
var numero = /^\d+/.exec(s);
if ( numero ) {
s = s.substring(numero[0].length);
return variavel(0,0,parseInt(numero[0], 10));
}
var simbolo = s[0];
s = s.substring(1);
if ( simbolo == "x" )
return variavel(1);
if ( simbolo == "y" )
return variavel(0,1);
if ( operadores[simbolo] )
return operadores[simbolo]();
if ( simbolo == " " )
return token(); // Ignora o espaço em branco
throw "Formato inválido";
}
var tokens = [];
while ( s.length > 0 )
tokens.push(token());
return tokens;
}
function sintatica(tokens, i) {
var ret = undefined;
i = i || 0;
for ( ; i < tokens.length ; i++ ) {
// Parênteses "quebram" a lógica da precedência...
if ( tokens[i].par == ')' )
break;
if ( tokens[i].par == '(' ) {
var conteudo = sintatica(tokens, i+1);
i = conteudo[1];
tokens[i] = conteudo[0];
tokens[i].p = 0;
}
//
if ( !ret || tokens[i].p >= ret.p ) {
tokens[i].esq = ret;
ret = tokens[i];
}
else {
for (var pai = ret ; pai.dir && pai.dir.p > tokens[i].p ; pai = pai.dir) { }
tokens[i].esq = tokens[i].esq || pai.dir;
pai.dir = tokens[i];
}
}
return [ret,i];
}
function avaliar(equacao, x) {
var raiz = sintatica(lexica(equacao))[0]; // Interpreta
raiz.substitui(x); // Substitui o x
var termos = raiz.soma(); // Transforma numa soma de termos
// Bhaskara
var a = 0, b = 0, c = 0;
for ( var i = 0 ; i < termos.length ; i++ ) {
if ( termos[i].y == 0 )
c += termos[i].c;
else if ( termos[i].y == 1 )
b += termos[i].c;
else if ( termos[i].y == 2 )
a += termos[i].c;
else
throw "Equação maior que segundo grau!";
}
if ( a == 0 )
return [-c/b] // Equação de primeiro grau
var rdelta = Math.sqrt(b*b - 4*a*c);
return [(-b + rdelta)/(2*a), (-b - rdelta)/(2*a)];
}
/***** Exemplos *****/
var exemplos = ["x^2 + 3*y^2 = 12",
"x^2/4 + y^2/25 = 1",
"x^2 - 6 = (y-1)^2",
"4*x + 5*y = 15"];
for ( var e = 0 ; e < exemplos.length ; e++ ) {
var entrada = exemplos[e];
document.body.innerHTML += "<p><strong>" + entrada + "</strong></p>";
for ( var i = 0 ; i <= 5 ; i++ )
document.body.innerHTML += "<p>x = " + i + ", y = " +
JSON.stringify(avaliar(entrada,i)) +
"</p>";
}
Como já dito, esse parser feito à mão não é muito bom, mas deve ser suficiente pra demonstrar a lógica necessária pra tratar das equações, que é o foco da pergunta.
Deixo a correção do bug quando x == 0
como exercício para o leitor... :P