Visualizando gráficos de funções matemáticas com JavaFX

Já falamos nesse blog sobre os gráficos da API do JavaFX. Nessa postagem iremos compartilhar uma pequena aplicação que permite plotar qualquer função matemática de N, ou seja, um uso prático dos gráficos. A ideia é ter uma classe que permite você definir funções com nome e um lambda que contém a operação matemática. A aplicação irá de 1 até N (um número que você fornece) executando a função e coletando os dados para colocar no gráfico. O código é muito simples, veja:

	import java.text.DecimalFormat;
	import java.util.ArrayList;
	import java.util.Arrays;
	import java.util.List;
	import java.util.function.DoubleFunction;
	import javafx.application.Application;
	import javafx.beans.property.SimpleIntegerProperty;
	import javafx.geometry.Pos;
	import javafx.scene.Scene;
	import javafx.scene.chart.CategoryAxis;
	import javafx.scene.chart.LineChart;
	import javafx.scene.chart.NumberAxis;
	import javafx.scene.chart.XYChart.Data;
	import javafx.scene.chart.XYChart.Series;
	import javafx.scene.control.Alert;
	import javafx.scene.control.Alert.AlertType;
	import javafx.scene.control.CheckBox;
	import javafx.scene.control.Label;
	import javafx.scene.control.Slider;
	import javafx.scene.control.TextField;
	import javafx.scene.control.ToggleButton;
	import javafx.scene.layout.HBox;
	import javafx.scene.layout.VBox;
	import javafx.stage.Stage;
	import javafx.util.StringConverter;
	public class PlotarFuncao extends Application {
	static List<NamedFunction> functions = Arrays.asList(
	NamedFunction.of("1", n -> 1d),
	NamedFunction.of("log n", n -> log2(n)),
	NamedFunction.of("n", n -> n),
	NamedFunction.of("n log n", n -> n * log2(n)),
	NamedFunction.of("n^2", n -> Math.pow(n, 2)),
	NamedFunction.of("n^3", n -> Math.pow(n, 3)),
	NamedFunction.of("2^n", n -> Math.pow(2, n))
	);
	LineChart<String, Number> chart;
	List<ToggleButton> cbSeries;
	SimpleIntegerProperty si = new SimpleIntegerProperty(10);
	private CheckBox cbBase2;
	private Slider sldCut;
	public static void main(String[] args) {
	launch();
	}
	@Override
	public void start(Stage stage) throws Exception {
	buildChart();
	HBox hbSeries = buildConfigBar();
	VBox rootPane = new VBox(chart, hbSeries);
	stage.setScene(new Scene(rootPane, 1200, 650));
	stage.show();
	runTests();
	}
	private HBox buildConfigBar() {
	HBox hbSeries = new HBox(5);
	cbSeries = new ArrayList<>();
	functions.stream().forEach(f -> {
	ToggleButton cb = new ToggleButton(f.getName());
	cb.setUserData(f);
	cb.setSelected(true);
	cb.selectedProperty().addListener(s -> runTests());
	cbSeries.add(cb);
	});
	sldCut = new Slider(1, si.get(), 1);
	sldCut.valueProperty().addListener(c -> runTests());
	si.addListener((obs, o, n) -> {
	sldCut.setMax(n.doubleValue());
	sldCut.setValue(1d);
	runTests();
	});
	TextField txtN = new TextField("10");
	txtN.textProperty().addListener((obs, o, n) -> {
	n = n.trim();
	if (!n.matches("\\d*"))
	txtN.setText(n.replaceAll("[^\\d]", ""));
	if (n.equals("") || Integer.parseInt(n) < 1)
	txtN.setText("1");
	});
	txtN.setOnAction(e -> si.set(Integer.parseInt(txtN.getText())));
	cbBase2 = new CheckBox("Use 2n");
	cbBase2.selectedProperty().addListener(c -> runTests());
	hbSeries.setAlignment(Pos.CENTER);
	hbSeries.getChildren().addAll(new Label("N:"), txtN, new Label("Select starting value"), sldCut, cbBase2,
	new Label("Axis: "));
	hbSeries.getChildren().addAll(cbSeries);
	return hbSeries;
	}
	private void buildChart() {
	CategoryAxis xAxis = new CategoryAxis();
	NumberAxis yAxis = new NumberAxis();
	xAxis.setLabel("n");
	yAxis.setLabel("f(n)");
	yAxis.setTickLabelFormatter(new StringConverter<Number>() {
	private DecimalFormat decimalFormat = new DecimalFormat("#E0");
	@Override
	public String toString(Number n) {
	if(n.intValue() < 10000) {
	return String.valueOf(n.intValue());
	} else {
	return decimalFormat.format(n);
	}
	}
	@Override
	public Number fromString(String s) {
	return 0;
	}
	});
	chart = new LineChart<>(xAxis, yAxis);
	chart.setPrefSize(800, 600);
	chart.setCreateSymbols(false);
	chart.setAnimated(false);
	chart.setVerticalGridLinesVisible(false);
	}
	private void runTests() {
	System.out.println("Running tests...");
	chart.getData().clear();
	cbSeries.stream().filter(ToggleButton::isSelected).forEach(tb -> {
	NamedFunction f = (NamedFunction) tb.getUserData();
	Series<String, Number> s = new Series<>();
	s.setName(f.getName());
	int min = (int) sldCut.getValue();
	for (int i = min; i <= si.get(); i++) {
	int v = (int) (cbBase2.isSelected() ? i + i : i);
	String vStr = String.valueOf(v);
	Double fv = f.getFunction().apply(Double.parseDouble(vStr));
	if (!Double.isFinite(fv)) {
	showAlertMessage(f, v);
	return;
	}
	Data<String, Number> data = new Data<>(vStr, fv);
	s.getData().add(data);
	}
	chart.getData().add(s);
	});
	}
	private void showAlertMessage(NamedFunction f, int v) {
	Alert a = new Alert(AlertType.ERROR);
	a.setTitle("Value exploded! Stopping the chart");
	a.setContentText("Value exploded for n=" + v + " and f(v)=" + f.getName());
	a.showAndWait();
	}
	public static class NamedFunction {
	private String name;
	private DoubleFunction<Double> function;
	public NamedFunction(String name, DoubleFunction<Double> function) {
	super();
	this.name = name;
	this.function = function;
	}
	public static NamedFunction of(String name, DoubleFunction<Double> function) {
	return new NamedFunction(name, function);
	}
	public String getName() {
	return name;
	}
	public DoubleFunction<Double> getFunction() {
	return function;
	}
	@Override
	public String toString() {
	return getName();
	}
	}
	private static Double log2(Double x) {
	return Math.log(x) / Math.log(2d);
	}
	}

view raw PlotarFuncao.java hosted with ❤ by GitHub

Com esse código podemos plotar, por exemplo, as funções utilizadas em análise de algoritmos, que são:

Veja abaixo:

Podemos selecionar quais funções serão mostradas no momento e ajustar os valores mínimos:

Para rodar o código você só precisa de Java 8, baixar o arquivo, salvar em PlotarFuncao.java e executar:

$ javac PlotarFuncao.java
$ java PlotarFuncao

Você pode modificar o código e adicionar mais funções. Modifiquei a lista functions para isso:

static List<NamedFunction> functions = Arrays.asList(

NamedFunction.of("1", n -> 1d),

NamedFunction.of("log n", n -> log2(n)), 

NamedFunction.of("n", n -> n),

NamedFunction.of("n log n", n -> n * log2(n)), 

NamedFunction.of("n^2", n -> Math.pow(n, 2)),

NamedFunction.of("n^3", n -> Math.pow(n, 3)),

NamedFunction.of("2^n", n -> Math.pow(2, n))

);

Esse post foi mais um rapidinho para compartilhar essa pequena aplicação que, inclusive, já me foi util :-)