課題3: 基本構文の実践

マンダトリー要件

問題1：変数と可変性の理解（20点）

以下のコードについて、コンパイルエラーが発生するか判定し、理由を説明しなさい。

// 1-1
fn main() {
    let x = 5;
    x = 6;
    println!("{}", x);
}

// 1-2
fn main() {
    let mut x = 5;
    x = 6;
    println!("{}", x);
}

// 1-3
fn main() {
    let x = 5;
    let x = x + 1;
    let x = x * 2;
    println!("{}", x);
}

// 1-4
fn main() {
    let mut spaces = "   ";
    spaces = spaces.len();
}

// 1-5
fn main() {
    let spaces = "   ";
    let spaces = spaces.len();
    println!("{}", spaces);
}

各コードについて：

  • コンパイルできるか？（できる/できない）
  • 理由は何か？
  • できる場合、出力は何か？
  • エラーを修正する方法は？（必要な場合）

提出物：problem1_analysis.md

問題2：データ型の実装（25点）

以下の関数を実装しなさい。

/// 整数のオーバーフローを安全に処理する
///
/// # Arguments
/// * `a` - 加算される数
/// * `b` - 加算する数
///
/// # Returns
/// * Some(sum) - 成功時
/// * None - オーバーフロー時
fn safe_add(a: u8, b: u8) -> Option<u8> {
    // TODO: 実装
    // ヒント：checked_addメソッドを使用
}

/// タプルの各要素を2倍にする
fn double_tuple(tup: (i32, f64, u8)) -> (i32, f64, u8) {
    // TODO: 実装
}

/// 配列の平均を計算する
fn average(arr: [i32; 5]) -> f64 {
    // TODO: 実装
}

/// 文字が数字かどうか判定
fn is_digit(c: char) -> bool {
    // TODO: 実装
    // ヒント：c >= '0' && c <= '9'
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_safe_add() {
        assert_eq!(safe_add(100, 50), Some(150));
        assert_eq!(safe_add(200, 100), None);
    }

    #[test]
    fn test_double_tuple() {
        assert_eq!(double_tuple((5, 3.0, 2)), (10, 6.0, 4));
    }

    #[test]
    fn test_average() {
        assert_eq!(average([1, 2, 3, 4, 5]), 3.0);
        assert_eq!(average([10, 20, 30, 40, 50]), 30.0);
    }

    #[test]
    fn test_is_digit() {
        assert!(is_digit('5'));
        assert!(!is_digit('a'));
    }
}

提出物：problem2.rs、テスト実行結果

問題3：関数の実装（25点）

以下の要件を満たすプログラムを作成しなさい。

要件：

  • 摂氏から華氏への変換関数
  • 華氏から摂氏への変換関数
  • ユーザー入力を受け付ける

実装：

use std::io;

/// 摂氏を華氏に変換
/// 公式：F = C * 9/5 + 32
fn celsius_to_fahrenheit(celsius: f64) -> f64 {
    // TODO: 実装
}

/// 華氏を摂氏に変換
/// 公式：C = (F - 32) * 5/9
fn fahrenheit_to_celsius(fahrenheit: f64) -> f64 {
    // TODO: 実装
}

fn main() {
    loop {
        println!("温度変換プログラム");
        println!("1. 摂氏 → 華氏");
        println!("2. 華氏 → 摂氏");
        println!("3. 終了");

        let mut choice = String::new();
        io::stdin()
            .read_line(&mut choice)
            .expect("読み込みエラー");

        let choice: u32 = match choice.trim().parse() {
            Ok(num) => num,
            Err(_) => {
                println!("無効な入力です");
                continue;
            }
        };

        match choice {
            1 => {
                // TODO: 摂氏入力を受け付け、華氏に変換
            }
            2 => {
                // TODO: 華氏入力を受け付け、摂氏に変換
            }
            3 => {
                println!("終了します");
                break;
            }
            _ => {
                println!("1-3を選択してください");
            }
        }
    }
}

期待される動作： 

温度変換プログラム
1. 摂氏 → 華氏
2. 華氏 → 摂氏
3. 終了
> 1
摂氏温度を入力: 0
華氏温度: 32.0°F

> 2
華氏温度を入力: 100
摂氏温度: 37.8°C

> 3
終了します

提出物：problem3_temperature.rs

問題4：制御フローの実践（30点）

以下のプログラムを実装しなさい。

4-1: フィボナッチ数列（10点）

/// n番目のフィボナッチ数を計算（反復版）
fn fibonacci_iterative(n: u32) -> u64 {
    // TODO: 実装
    // 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, ...
}

/// n番目のフィボナッチ数を計算（再帰版）
fn fibonacci_recursive(n: u32) -> u64 {
    // TODO: 実装
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_fibonacci() {
        let expected = vec![0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34];
        for (i, &expected_val) in expected.iter().enumerate() {
            assert_eq!(fibonacci_iterative(i as u32), expected_val);
            assert_eq!(fibonacci_recursive(i as u32), expected_val);
        }
    }
}

4-2: 素数判定（10点）

/// 素数かどうか判定
fn is_prime(n: u32) -> bool {
    // TODO: 実装
    // ヒント：
    // - 2未満は素数ではない
    // - 2は素数
    // - 偶数は素数ではない（2以外）
    // - √n まで調べれば十分
}

/// n以下の素数をすべて返す
fn primes_up_to(n: u32) -> Vec<u32> {
    // TODO: 実装
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_is_prime() {
        assert!(!is_prime(0));
        assert!(!is_prime(1));
        assert!(is_prime(2));
        assert!(is_prime(3));
        assert!(!is_prime(4));
        assert!(is_prime(5));
        assert!(is_prime(97));
    }

    #[test]
    fn test_primes_up_to() {
        assert_eq!(primes_up_to(10), vec![2, 3, 5, 7]);
        assert_eq!(primes_up_to(20), vec![2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19]);
    }
}

4-3: 九九表の出力（10点）

/// 九九表を出力する
fn print_multiplication_table() {
    // TODO: 実装
    // 期待される出力：
    //   1  2  3  4  5  6  7  8  9
    //   2  4  6  8 10 12 14 16 18
    //   3  6  9 12 15 18 21 24 27
    //   ...
}

/// 指定された範囲の掛け算表を出力
fn print_custom_table(start: u32, end: u32) {
    // TODO: 実装
    // 例：print_custom_table(5, 7) → 5x5, 6x6, 7x7の表
}

提出物：problem4_control_flow.rs

---

ボーナス課題

> ボーナス: 以下はオプションです。マンダトリー要件を完了してから挑戦してください。

ボーナス1：高度な数学関数（10点）

以下の数学関数を実装しなさい。

/// 最大公約数（ユークリッドの互除法）
fn gcd(a: u32, b: u32) -> u32 {
    // TODO: 実装
}

/// 最小公倍数
fn lcm(a: u32, b: u32) -> u32 {
    // TODO: 実装
    // ヒント：lcm(a, b) = a * b / gcd(a, b)
}

/// 階乗
fn factorial(n: u32) -> u64 {
    // TODO: 実装
}

/// 組み合わせ（nCr）
fn combination(n: u32, r: u32) -> u64 {
    // TODO: 実装
    // ヒント：nCr = n! / (r! * (n-r)!)
}

/// べき乗（繰り返し2乗法）
fn power(base: u64, exp: u32) -> u64 {
    // TODO: 実装
    // O(log n)で計算
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_gcd() {
        assert_eq!(gcd(48, 18), 6);
        assert_eq!(gcd(100, 50), 50);
    }

    #[test]
    fn test_combination() {
        assert_eq!(combination(5, 2), 10);
        assert_eq!(combination(10, 3), 120);
    }
}

提出物：bonus1_math.rs

ボーナス2：ゲーム実装（10点）

数当てゲームを実装しなさい。

要件： 

use std::io;
use std::cmp::Ordering;

fn main() {
    println!("数当てゲーム！");
    println!("1から100の数を当ててください");

    let secret_number = 42; // TODO: ランダムな数を生成
                            // ヒント：rand crateを使用

    let mut attempts = 0;

    loop {
        println!("予想を入力してください:");

        let mut guess = String::new();
        io::stdin()
            .read_line(&mut guess)
            .expect("読み込みエラー");

        let guess: u32 = match guess.trim().parse() {
            Ok(num) => num,
            Err(_) => {
                println!("数値を入力してください");
                continue;
            }
        };

        attempts += 1;

        match guess.cmp(&secret_number) {
            Ordering::Less => println!("小さすぎます！"),
            Ordering::Greater => println!("大きすぎます！"),
            Ordering::Equal => {
                println!("正解です！{} 回で当てました！", attempts);
                break;
            }
        }
    }
}

拡張要件：

  • ランダムな数の生成（rand crateを使用）
  • 難易度選択（1-10、1-100、1-1000）
  • 試行回数に応じたランク表示
  • リトライ機能

提出物：bonus2_game/プロジェクト

ボーナス3：コマンドラインツール（10点）

電卓CLIツールを実装しなさい。

$ cargo run -- 10 + 5
15

$ cargo run -- 20 \* 3
60

$ cargo run -- 100 / 4
25

$ cargo run -- 2 ^ 8
256

要件：

  • 基本演算（+、-、*、/）
  • べき乗（^）
  • 括弧のサポート（ボーナス内ボーナス）
  • 適切なエラーハンドリング

提出物：bonus3_calculator/プロジェクト

ボーナス4：アルゴリズム実装（10点）

以下のソートアルゴリズムを実装し、性能を比較しなさい。

/// バブルソート
fn bubble_sort(arr: &mut [i32]) {
    // TODO: 実装
}

/// 選択ソート
fn selection_sort(arr: &mut [i32]) {
    // TODO: 実装
}

/// 挿入ソート
fn insertion_sort(arr: &mut [i32]) {
    // TODO: 実装
}

/// クイックソート
fn quick_sort(arr: &mut [i32]) {
    // TODO: 実装
}

/// ベンチマーク実行
fn benchmark_sorts() {
    use std::time::Instant;

    let sizes = vec![100, 1000, 10000];

    for size in sizes {
        let mut data = generate_random_array(size);

        // TODO: 各ソートアルゴリズムの実行時間を測定
    }
}

提出物：

  • bonus4_sorting.rs: 実装
  • benchmark_results.md: 性能比較レポート

ボーナス5：パターン実装（10点）

以下の模様を出力するプログラムを作成しなさい。

5-1: ピラミッド

    *
   ***
  *****
 *******
*********

5-2: ダイヤモンド

    *
   ***
  *****
 *******
  *****
   ***
    *

5-3: 数字のピラミッド

    1
   121
  12321
 1234321
123454321

提出物：bonus5_patterns.rs

---

評価基準

マンダトリー部分（80点）

項目 配点 評価ポイント
問題1：変数と可変性 20点 概念の正確な理解
問題2：データ型 25点 型システムの活用
問題3：関数実装 25点 実用的なプログラム
問題4：制御フロー 30点 アルゴリズムの実装力

ボーナス部分（20点）

項目 配点 評価ポイント
ボーナス1：数学関数 10点 効率的なアルゴリズム
ボーナス2：ゲーム 10点 ユーザー体験の質
ボーナス3：電卓 10点 パーサーの実装
ボーナス4：ソート 10点 性能分析の深さ
ボーナス5：パターン 10点 ループの制御力

注: ボーナスは最大20点まで加算されます。

---

提出方法

ファイル構成

rust-foundations-03/
├── problem1_analysis.md
├── problem2.rs
├── problem3_temperature.rs
├── problem4_control_flow.rs
└── bonus/
    ├── bonus1_math.rs
    ├── bonus2_game/
    ├── bonus3_calculator/
    ├── bonus4_sorting.rs
    ├── bonus5_patterns.rs
    └── benchmark_results.md

テストの実行

各ファイルに対して： 

rustc --test problem2.rs
./problem2

# または
cargo test

提出期限

  • マンダトリー：第3章学習後、1週間以内
  • ボーナス：第6章修了時まで

    • ---

    ヒント

    問題1のヒント

  • 不変変数：デフォルトで再代入不可
  • mut：明示的に可変化
  • シャドーイング：同名の変数を再宣言（型も変更可）

問題2のヒント

checked_addの使用例： 

let x: u8 = 200;
let y: u8 = 100;
match x.checked_add(y) {
    Some(result) => println!("成功: {}", result),
    None => println!("オーバーフロー"),
}

問題4のヒント

素数判定の最適化： 

fn is_prime(n: u32) -> bool {
    if n < 2 { return false; }
    if n == 2 { return true; }
    if n % 2 == 0 { return false; }

    let limit = (n as f64).sqrt() as u32;
    for i in (3..=limit).step_by(2) {
        if n % i == 0 {
            return false;
        }
    }
    true
}

ボーナス2のヒント

rand crateの使用： 

[dependencies]
rand = "0.8"


use rand::Rng;

let secret_number = rand::thread_rng().gen_range(1..=100);

---

学習の確認

この課題を通じて、以下を理解できたか確認してください：

  • [ ] 変数の不変性とmut
  • [ ] シャドーイングの仕組み
  • [ ] 基本的なデータ型
  • [ ] 関数の定義と戻り値
  • [ ] 式と文の違い
  • [ ] if、loop、while、forの使い分け
  • [ ] パターンマッチングの基本
  • [ ] エラーハンドリングの初歩

次の章では、Rustの核心である所有権システムを学びます。これまでの知識が基礎となります。

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