mayo 2019 – Exercitium

Sucesiones de listas de números

PorJosé A. Alonso 31-mayo-201926-marzo-2022

En la Olimpiada Internacional de Matemáticas del 2012 se propuso el siguiente problema:

Varios enteros positivos se escriben en una lista. Iterativamente, Alicia elige dos números adyacentes x e y tales que x > y y x está a la izquierda de y y reemplaza el par (x,y) por (y+1,x) o (x-1,x). Demostrar que sólo puede aplicar un número finito de dichas iteraciones.

Por ejemplo, las transformadas de la lista [1,3,2] son [1,2,3] y [1,3,3] y las dos obtenidas son finales (es decir, no se les puede aplicar ninguna transformación).

Definir las funciones

   soluciones :: [Int] -> [Estado]
   finales :: [Int] -> [[Int]]
   finalesMaximales :: [Int] -> (Int,[[Int]])

soluciones :: [Int] -> [Estado]

finales :: [Int] -> [[Int]]

finalesMaximales :: [Int] -> (Int,[[Int]])

tales que

(soluciones xs) es la lista de pares (n,ys) tales que ys es una lista final obtenida aplicándole n transformaciones a xs. Por ejemplo,

     λ> soluciones [1,3,2]
     [(1,[1,3,3]),(1,[1,2,3])]
     λ> sort (nub (soluciones [3,3,2]))
     [(1,[3,3,3]),(2,[2,3,3]),(2,[3,3,3])]
     λ> sort (nub (soluciones [3,2,1]))
     [(2,[2,2,3]),(3,[2,2,3]),(3,[2,3,3]),(3,[3,3,3]),(4,[2,3,3]),(4,[3,3,3])]

λ> soluciones [1,3,2]

[(1,[1,3,3]),(1,[1,2,3])]

λ> sort (nub (soluciones [3,3,2]))

[(1,[3,3,3]),(2,[2,3,3]),(2,[3,3,3])]

λ> sort (nub (soluciones [3,2,1]))

[(2,[2,2,3]),(3,[2,2,3]),(3,[2,3,3]),(3,[3,3,3]),(4,[2,3,3]),(4,[3,3,3])]

(finales xs) son las listas obtenidas transformando xs y a las que no se les puede aplicar más transformaciones. Por ejemplo,

     finales [1,2,3]               ==  [[1,2,3]]
     finales [1,3,2]               ==  [[1,2,3],[1,3,3]]
     finales [3,2,1]               ==  [[2,2,3],[2,3,3],[3,3,3]]
     finales [1,3,2,4]             ==  [[1,2,3,4],[1,3,3,4]]
     finales [1,3,2,3]             ==  [[1,2,3,3],[1,3,3,3]]
     length (finales [9,6,0,7,2])  ==  19
     length (finales [80,60..0])   ==  420

finales [1,2,3] == [[1,2,3]]

finales [1,3,2] == [[1,2,3],[1,3,3]]

finales [3,2,1] == [[2,2,3],[2,3,3],[3,3,3]]

finales [1,3,2,4] == [[1,2,3,4],[1,3,3,4]]

finales [1,3,2,3] == [[1,2,3,3],[1,3,3,3]]

length (finales [9,6,0,7,2]) == 19

length (finales [80,60..0]) == 420

(finalesMaximales xs) es el par (n,yss) tal que la longitud de las cadenas más largas de transformaciones a partir de xs e yss es la lista de los estados finales a partir de xs con n transformaciones. Por ejemplo,

     finalesMaximales [9,5,7]   ==  (2,[[6,8,9],[8,8,9]])
     finalesMaximales [3,2,1]   ==  (4,[[2,3,3],[3,3,3]])
     finalesMaximales [3,2..0]  ==  (10,[[2,3,3,3],[3,3,3,3]])
     finalesMaximales [4,3..0]  ==  (20,[[3,4,4,4,4],[4,4,4,4,4]])

finalesMaximales [9,5,7] == (2,[[6,8,9],[8,8,9]])

finalesMaximales [3,2,1] == (4,[[2,3,3],[3,3,3]])

finalesMaximales [3,2..0] == (10,[[2,3,3,3],[3,3,3,3]])

finalesMaximales [4,3..0] == (20,[[3,4,4,4,4],[4,4,4,4,4]])

Soluciones

[schedule expon=’2019-06-07′ expat=»06:00″]

Las soluciones se pueden escribir en los comentarios hasta el 07 de junio.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

Pensamiento

Siempre que nos vemos
es cita para mañana.
Nunca nos encontraremos.

Antonio Machado

[/schedule]

[schedule on=’2019-06-07′ at=»06:00″]

import Data.List (nub, sort)
import I1M.BusquedaEnEspaciosDeEstados (buscaEE)

type Estado = (Int,[Int])

inicial :: [Int] -> Estado
inicial xs = (0,xs)

esFinal :: Estado -> Bool
esFinal e = null (sucesores e)

--    λ> sucesores [9,6,0,7,2]
--    [[7,9,0,7,2],[8,9,0,7,2],[9,1,6,7,2],[9,5,6,7,2],[9,6,0,3,7],[9,6,0,6,7]]
sucesores :: Estado -> [Estado]
sucesores (_,[])  = []
sucesores (_,[_]) = []
sucesores (n,x:y:xs)
  | x > y     = [(n+1,y+1:x:xs), (n+1,x-1:x:xs)] ++ yss
  | otherwise = yss
  where yss = [(m,x:ys) | (m,ys) <- sucesores (n,y:xs)]
                       
soluciones :: [Int] -> [Estado]
soluciones xs =
  buscaEE sucesores esFinal (inicial xs)

finales :: [Int] -> [[Int]]
finales xs =
  sort (nub (map snd (soluciones xs)))
            
finalesMaximales :: [Int] -> (Int,[[Int]])
finalesMaximales xs =
  (m, [xs | (n,xs) <- es, n == m])
  where es    = sort (nub (soluciones xs))
        (m,_) = maximum es

import Data.List (nub, sort)

import I1M.BusquedaEnEspaciosDeEstados (buscaEE)

type Estado = (Int,[Int])

inicial :: [Int] -> Estado

inicial xs = (0,xs)

esFinal :: Estado -> Bool

esFinal e = null (sucesores e)

-- λ> sucesores [9,6,0,7,2]

-- [[7,9,0,7,2],[8,9,0,7,2],[9,1,6,7,2],[9,5,6,7,2],[9,6,0,3,7],[9,6,0,6,7]]

sucesores :: Estado -> [Estado]

sucesores (_,[]) = []

sucesores (_,[_]) = []

sucesores (n,x:y:xs)

| x > y = [(n+1,y+1:x:xs), (n+1,x-1:x:xs)] ++ yss

| otherwise = yss

where yss = [(m,x:ys) | (m,ys) <- sucesores (n,y:xs)]

soluciones :: [Int] -> [Estado]

soluciones xs =

buscaEE sucesores esFinal (inicial xs)

finales :: [Int] -> [[Int]]

finales xs =

sort (nub (map snd (soluciones xs)))

finalesMaximales :: [Int] -> (Int,[[Int]])

finalesMaximales xs =

(m, [xs | (n,xs) <- es, n == m])

where es = sort (nub (soluciones xs))

(m,_) = maximum es

[/schedule]

Caminos en un grafo

PorJosé A. Alonso 30-mayo-201926-marzo-2022

Definir las funciones

   grafo   :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int
   caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

1 2	grafo :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

tales que

(grafo as) es el grafo no dirigido definido cuyas aristas son as. Por ejemplo,

     ghci> grafo [(2,4),(4,5)]
     G ND (array (2,5) [(2,[(4,0)]),(3,[]),(4,[(2,0),(5,0)]),(5,[(4,0)])])

1 2	ghci> grafo [(2,4),(4,5)] G ND (array (2,5) [(2,[(4,0)]),(3,[]),(4,[(2,0),(5,0)]),(5,[(4,0)])])

(caminos g a b) es la lista los caminos en el grafo g desde a hasta b sin pasar dos veces por el mismo nodo. Por ejemplo,

     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 7)
     [[1,3,5,7],[1,3,7]]
     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 2 7)
     [[2,5,3,7],[2,5,7]]
     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 2)
     [[1,3,5,2],[1,3,7,5,2]]
     ghci> caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 4
     []
     ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
     109601

ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 7)

[[1,3,5,7],[1,3,7]]

ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 2 7)

[[2,5,3,7],[2,5,7]]

ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 2)

[[1,3,5,2],[1,3,7,5,2]]

ghci> caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 4

[]

ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)

109601

Soluciones

[schedule expon=’2019-06-06′ expat=»06:00″]

Las soluciones se pueden escribir en los comentarios hasta el 06 de junio.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

Pensamiento

Tengo dentro de un herbario
una tarde disecada,
lila, violeta y dorada.
Caprichos de solitario.

Antonio Machado

[/schedule]

[schedule on=’2019-06-06′ at=»06:00″]

import Data.List (sort)
import I1M.Grafo
import I1M.BusquedaEnEspaciosDeEstados

grafo :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int
grafo as = creaGrafo ND (m,n) [(x,y,0) | (x,y) <- as]
  where ns = map fst as ++ map snd as
        m  = minimum ns
        n  = maximum ns

-- 1ª solución
-- ===========

caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]
caminos g a b = aux [[b]] where 
  aux [] = []
  aux ((x:xs):yss)
    | x == a    = (x:xs) : aux yss
    | otherwise = aux ([z:x:xs | z <- adyacentes g x
                               , z `notElem` (x:xs)] 
                       ++ yss) 

-- 2ª solución (mediante espacio de estados)
-- =========================================

caminos2 :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]
caminos2 g a b = buscaEE sucesores esFinal inicial
  where inicial          = [b]
        sucesores (x:xs) = [z:x:xs | z <- adyacentes g x
                                   , z `notElem` (x:xs)] 
        esFinal (x:xs)   = x == a

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
--    109601
--    (3.57 secs, 500533816 bytes)
--    ghci> length (caminos2 (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
--    109601
--    (3.53 secs, 470814096 bytes)

import Data.List (sort)

import I1M.Grafo

import I1M.BusquedaEnEspaciosDeEstados

grafo :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int

grafo as = creaGrafo ND (m,n) [(x,y,0) | (x,y) <- as]

where ns = map fst as ++ map snd as

m = minimum ns

n = maximum ns

-- 1ª solución

-- ===========

caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

caminos g a b = aux [[b]] where

aux [] = []

aux ((x:xs):yss)

| x == a = (x:xs) : aux yss

| otherwise = aux ([z:x:xs | z <- adyacentes g x

, z `notElem` (x:xs)]

++ yss)

-- 2ª solución (mediante espacio de estados)

-- =========================================

caminos2 :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

caminos2 g a b = buscaEE sucesores esFinal inicial

where inicial = [b]

sucesores (x:xs) = [z:x:xs | z <- adyacentes g x

, z `notElem` (x:xs)]

esFinal (x:xs) = x == a

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)

-- 109601

-- (3.57 secs, 500533816 bytes)

-- ghci> length (caminos2 (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)

-- 109601

-- (3.53 secs, 470814096 bytes)

[/schedule]

Número de triangulaciones de un polígono

PorJosé A. Alonso 29-mayo-201928-mayo-2019

Una triangulación de un polígono es una división del área en un conjunto de triángulos, de forma que la unión de todos ellos es igual al polígono original, y cualquier par de triángulos es disjunto o comparte únicamente un vértice o un lado. En el caso de polígonos convexos, la cantidad de triangulaciones posibles depende únicamente del número de vértices del polígono.

Si llamamos T(n) al número de triangulaciones de un polígono de n vértices, se verifica la siguiente relación de recurrencia:

    T(2) = 1
    T(n) = T(2)*T(n-1) + T(3)*T(n-2) + ... + T(n-1)*T(2)

1 2	T(2) = 1 T(n) = T(2)T(n-1) + T(3)T(n-2) + ... + T(n-1)*T(2)

Definir la función

   numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer

1	numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer

tal que (numeroTriangulaciones n) es el número de triangulaciones de un polígono convexo de n vértices. Por ejemplo,

   numeroTriangulaciones 3  == 1
   numeroTriangulaciones 5  == 5
   numeroTriangulaciones 6  == 14
   numeroTriangulaciones 7  == 42
   numeroTriangulaciones 50 == 131327898242169365477991900
   length (show (numeroTriangulaciones   800)) ==  476
   length (show (numeroTriangulaciones  1000)) ==  597
   length (show (numeroTriangulaciones 10000)) == 6014

numeroTriangulaciones 3 == 1

numeroTriangulaciones 5 == 5

numeroTriangulaciones 6 == 14

numeroTriangulaciones 7 == 42

numeroTriangulaciones 50 == 131327898242169365477991900

length (show (numeroTriangulaciones 800)) == 476

length (show (numeroTriangulaciones 1000)) == 597

length (show (numeroTriangulaciones 10000)) == 6014

Soluciones

[schedule expon=’2019-06-05′ expat=»06:00″]

Las soluciones se pueden escribir en los comentarios hasta el 05 de junio.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

Pensamiento

No es la belleza el gran incentivo del amor, sino la sed metafísica de lo esencialmente otro.

Antonio Machado

[/schedule]

[schedule on=’2019-06-05′ at=»06:00″]

import Data.Array

import Data.Array (Array, (!), array)
import Data.List  (genericIndex)
import qualified Data.Vector as V

-- 1ª solución (por recursión)
-- ===========================

numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones 2 = 1
numeroTriangulaciones n = sum (zipWith (*) ts (reverse ts))
  where ts = [numeroTriangulaciones k | k <- [2..n-1]]

-- 2ª solución
-- ===========

--    λ> map numeroTriangulaciones2 [2..15]
--    [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900]
numeroTriangulaciones2 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones2 n = 
  head (sucNumeroTriangulacionesInversas `genericIndex` (n-2))

--    λ> mapM_ print (take 10 sucNumeroTriangulacionesInversas)
--    [1]
--    [1,1]
--    [2,1,1]
--    [5,2,1,1]
--    [14,5,2,1,1]
--    [42,14,5,2,1,1]
--    [132,42,14,5,2,1,1]
--    [429,132,42,14,5,2,1,1]
--    [1430,429,132,42,14,5,2,1,1]
--    [4862,1430,429,132,42,14,5,2,1,1]
sucNumeroTriangulacionesInversas :: [[Integer]]        
sucNumeroTriangulacionesInversas = iterate f [1]
  where f ts = sum (zipWith (*) ts (reverse ts)) : ts

-- 3ª solución (con programación dinámica)
-- =======================================

numeroTriangulaciones3 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones3 n = vectorTriang n ! n

--    λ> vectorTriang 9
--    array (2,9) [(2,1),(3,1),(4,2),(5,5),(6,14),(7,42),(8,132),(9,429)]
vectorTriang :: Integer -> Array Integer Integer
vectorTriang n = v
  where v = array (2,n) [(i, f i) | i <-[2..n]]
        f 2 = 1
        f i = sum [v!j*v!(i-j+1) | j <-[2..i-1]]

-- 4ª solución (con los números de Catalan)
-- ========================================

-- Al calcular por primeros números de triangulaciones se obtiene
--    λ> map numeroTriangulaciones [2..12]
--    [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796]
-- Se observa que se corresponden con los números de Catalan
-- http://bit.ly/2FOc1S1
-- 
-- El n-ésimo número de Catalan es
--    (2n)! / (n! * (n+1)!)
-- El número de triangulaciones de un polígono de n lados es el
-- (n-2)-ésimo número de Catalan.

numeroTriangulaciones4 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones4 n = numeroCatalan (n-2) 

numeroCatalan :: Integer -> Integer
numeroCatalan n =
  factorial (2*n) `div` (factorial (n+1) * factorial n)

factorial :: Integer -> Integer
factorial n = product [1..n]

-- 5ª solución
-- ===========

numeroTriangulaciones5 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones5 n = v V.! (m-2)
   where v = V.constructN m
           (\w -> if   V.null w then 1
                  else V.sum (V.zipWith (*) w (V.reverse w)))
         m = fromIntegral n

-- 6ª solución
-- ===========

numeroTriangulaciones6 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones6 n = nCr (2*n-4, n-2) `div` (n-1)
  where nCr (n,m)   = factorial n `div` (factorial (n-m) * factorial m)
        factorial n = product [1..n]

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> numeroTriangulaciones 22
--    6564120420
--    (3.97 secs, 668,070,936 bytes)
--    λ> numeroTriangulaciones2 22
--    6564120420
--    (0.01 secs, 180,064 bytes)
--    λ> numeroTriangulaciones3 22
--    6564120420
--    (0.01 secs, 285,792 bytes)
--    
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones2 800))
--    476
--    (0.59 secs, 125,026,824 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones3 800))
--    476
--    (1.95 secs, 334,652,936 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones4 800))
--    476
--    (0.01 secs, 2,960,088 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones5 800))
--    476
--    (0.65 secs, 200,415,640 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones6 800))
--    476
--    (0.01 secs, 2,960,224 bytes)
--    
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones4 (10^4)))
--    6014
--    (1.80 secs, 542,364,320 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones6 (10^4)))
--    6014
--    (1.87 secs, 542,351,136 bytes)

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

import Data.Array

import Data.Array (Array, (!), array)

import Data.List (genericIndex)

import qualified Data.Vector as V

-- 1ª solución (por recursión)

-- ===========================

numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones 2 = 1

numeroTriangulaciones n = sum (zipWith (*) ts (reverse ts))

where ts = [numeroTriangulaciones k | k <- [2..n-1]]

-- 2ª solución

-- ===========

-- λ> map numeroTriangulaciones2 [2..15]

-- [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900]

numeroTriangulaciones2 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones2 n =

head (sucNumeroTriangulacionesInversas `genericIndex` (n-2))

-- λ> mapM_ print (take 10 sucNumeroTriangulacionesInversas)

-- [1]

-- [1,1]

-- [2,1,1]

-- [5,2,1,1]

-- [14,5,2,1,1]

-- [42,14,5,2,1,1]

-- [132,42,14,5,2,1,1]

-- [429,132,42,14,5,2,1,1]

-- [1430,429,132,42,14,5,2,1,1]

-- [4862,1430,429,132,42,14,5,2,1,1]

sucNumeroTriangulacionesInversas :: [[Integer]]

sucNumeroTriangulacionesInversas = iterate f [1]

where f ts = sum (zipWith (*) ts (reverse ts)) : ts

-- 3ª solución (con programación dinámica)

-- =======================================

numeroTriangulaciones3 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones3 n = vectorTriang n ! n

-- λ> vectorTriang 9

-- array (2,9) [(2,1),(3,1),(4,2),(5,5),(6,14),(7,42),(8,132),(9,429)]

vectorTriang :: Integer -> Array Integer Integer

vectorTriang n = v

where v = array (2,n) [(i, f i) | i <-[2..n]]

f 2 = 1

f i = sum [v!j*v!(i-j+1) | j <-[2..i-1]]

-- 4ª solución (con los números de Catalan)

-- ========================================

-- Al calcular por primeros números de triangulaciones se obtiene

-- λ> map numeroTriangulaciones [2..12]

-- [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796]

-- Se observa que se corresponden con los números de Catalan

-- http://bit.ly/2FOc1S1

-- El n-ésimo número de Catalan es

-- (2n)! / (n! * (n+1)!)

-- El número de triangulaciones de un polígono de n lados es el

-- (n-2)-ésimo número de Catalan.

numeroTriangulaciones4 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones4 n = numeroCatalan (n-2)

numeroCatalan :: Integer -> Integer

numeroCatalan n =

factorial (2*n) `div` (factorial (n+1) * factorial n)

factorial :: Integer -> Integer

factorial n = product [1..n]

-- 5ª solución

-- ===========

numeroTriangulaciones5 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones5 n = v V.! (m-2)

where v = V.constructN m

(\w -> if V.null w then 1

else V.sum (V.zipWith (*) w (V.reverse w)))

m = fromIntegral n

-- 6ª solución

-- ===========

numeroTriangulaciones6 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones6 n = nCr (2*n-4, n-2) `div` (n-1)

where nCr (n,m) = factorial n `div` (factorial (n-m) * factorial m)

factorial n = product [1..n]

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> numeroTriangulaciones 22

-- 6564120420

-- (3.97 secs, 668,070,936 bytes)

-- λ> numeroTriangulaciones2 22

-- 6564120420

-- (0.01 secs, 180,064 bytes)

-- λ> numeroTriangulaciones3 22

-- 6564120420

-- (0.01 secs, 285,792 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones2 800))

-- 476

-- (0.59 secs, 125,026,824 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones3 800))

-- 476

-- (1.95 secs, 334,652,936 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones4 800))

-- 476

-- (0.01 secs, 2,960,088 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones5 800))

-- 476

-- (0.65 secs, 200,415,640 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones6 800))

-- 476

-- (0.01 secs, 2,960,224 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones4 (10^4)))

-- 6014

-- (1.80 secs, 542,364,320 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones6 (10^4)))

-- 6014

-- (1.87 secs, 542,351,136 bytes)

[/schedule]

Espacio de estados del problema de las N reinas

PorJosé A. Alonso 28-mayo-201925-abril-2021

El problema de las N reinas consiste en colocar N reinas en tablero rectangular de dimensiones N por N de forma que no se encuentren más de una en la misma línea: horizontal, vertical o diagonal. Por ejemplo, una solución para el problema de las 4 reinas es

   |---|---|---|---|
   |   | R |   |   |
   |---|---|---|---|
   |   |   |   | R |
   |---|---|---|---|
   | R |   |   |   |
   |---|---|---|---|
   |   |   | R |   |
   |---|---|---|---|

|---|---|---|---|

| | R | | |

|---|---|---|---|

| | | | R |

|---|---|---|---|

| R | | | |

|---|---|---|---|

| | | R | |

|---|---|---|---|

Los estados del problema de las N reinas son los tableros con las reinas colocadas. Inicialmente el tablero está vacío y, en cda paso se coloca una reina en la primera columna en la que aún no hay ninguna reina.

Cada estado se representa por una lista de números que indican las filas donde se han colocado las reinas. Por ejemplo, el tablero anterior se representa por [2,4,1,3].

Usando la librería de árboles Data.Tree, definir las funciones

   arbolReinas :: Int -> Tree [Int]
   nEstados    :: Int -> Int
   soluciones  :: Int -> [[Int]]
   nSoluciones :: Int -> Int

arbolReinas :: Int -> Tree [Int]

nEstados :: Int -> Int

soluciones :: Int -> [[Int]]

nSoluciones :: Int -> Int

tales que

(arbolReinas n) es el árbol de estados para el problema de las n reinas. Por ejemplo,

     λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 4)))
     []
     |
     +- [1]
     |  |
     |  +- [3,1]
     |  |
     |  `- [4,1]
     |     |
     |     `- [2,4,1]
     |
     +- [2]
     |  |
     |  `- [4,2]
     |     |
     |     `- [1,4,2]
     |        |
     |        `- [3,1,4,2]
     |
     +- [3]
     |  |
     |  `- [1,3]
     |     |
     |     `- [4,1,3]
     |        |
     |        `- [2,4,1,3]
     |
     `- [4]
        |
        +- [1,4]
        |  |
        |  `- [3,1,4]
        |
        `- [2,4]
     
     λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 5)))
     []
     |
     +- [1]
     |  |
     |  +- [3,1]
     |  |  |
     |  |  `- [5,3,1]
     |  |     |
     |  |     `- [2,5,3,1]
     |  |        |
     |  |        `- [4,2,5,3,1]
     |  |
     |  +- [4,1]
     |  |  |
     |  |  `- [2,4,1]
     |  |     |
     |  |     `- [5,2,4,1]
     |  |        |
     |  |        `- [3,5,2,4,1]
     |  |
     |  `- [5,1]
     |     |
     |     `- [2,5,1]
     |
     +- [2]
     |  |
     |  +- [4,2]
     |  |  |
     |  |  `- [1,4,2]
     |  |     |
     |  |     `- [3,1,4,2]
     |  |        |
     |  |        `- [5,3,1,4,2]
     |  |
     |  `- [5,2]
     |     |
     |     +- [1,5,2]
     |     |  |
     |     |  `- [4,1,5,2]
     |     |
     |     `- [3,5,2]
     |        |
     |        `- [1,3,5,2]
     |           |
     |           `- [4,1,3,5,2]
     |
     +- [3]
     |  |
     |  +- [1,3]
     |  |  |
     |  |  `- [4,1,3]
     |  |     |
     |  |     `- [2,4,1,3]
     |  |        |
     |  |        `- [5,2,4,1,3]
     |  |
     |  `- [5,3]
     |     |
     |     `- [2,5,3]
     |        |
     |        `- [4,2,5,3]
     |           |
     |           `- [1,4,2,5,3]
     |
     +- [4]
     |  |
     |  +- [1,4]
     |  |  |
     |  |  +- [3,1,4]
     |  |  |  |
     |  |  |  `- [5,3,1,4]
     |  |  |     |
     |  |  |     `- [2,5,3,1,4]
     |  |  |
     |  |  `- [5,1,4]
     |  |     |
     |  |     `- [2,5,1,4]
     |  |
     |  `- [2,4]
     |     |
     |     `- [5,2,4]
     |        |
     |        `- [3,5,2,4]
     |           |
     |           `- [1,3,5,2,4]
     |
     `- [5]
        |
        +- [1,5]
        |  |
        |  `- [4,1,5]
        |
        +- [2,5]
        |  |
        |  `- [4,2,5]
        |     |
        |     `- [1,4,2,5]
        |        |
        |        `- [3,1,4,2,5]
        |
        `- [3,5]
           |
           `- [1,3,5]
              |
              `- [4,1,3,5]
                 |
                 `- [2,4,1,3,5]

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 4)))

[]

+- [1]

| |

| +- [3,1]

| |

| `- [4,1]

| |

| `- [2,4,1]

+- [2]

| |

| `- [4,2]

| |

| `- [1,4,2]

| |

| `- [3,1,4,2]

+- [3]

| |

| `- [1,3]

| |

| `- [4,1,3]

| |

| `- [2,4,1,3]

`- [4]

+- [1,4]

| |

| `- [3,1,4]

`- [2,4]

λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 5)))

[]

+- [1]

| |

| +- [3,1]

| | |

| | `- [5,3,1]

| | |

| | `- [2,5,3,1]

| | |

| | `- [4,2,5,3,1]

| |

| +- [4,1]

| | |

| | `- [2,4,1]

| | |

| | `- [5,2,4,1]

| | |

| | `- [3,5,2,4,1]

| |

| `- [5,1]

| |

| `- [2,5,1]

+- [2]

| |

| +- [4,2]

| | |

| | `- [1,4,2]

| | |

| | `- [3,1,4,2]

| | |

| | `- [5,3,1,4,2]

| |

| `- [5,2]

| |

| +- [1,5,2]

| | |

| | `- [4,1,5,2]

| |

| `- [3,5,2]

| |

| `- [1,3,5,2]

| |

| `- [4,1,3,5,2]

+- [3]

| |

| +- [1,3]

| | |

| | `- [4,1,3]

| | |

| | `- [2,4,1,3]

| | |

| | `- [5,2,4,1,3]

| |

| `- [5,3]

| |

| `- [2,5,3]

| |

| `- [4,2,5,3]

| |

| `- [1,4,2,5,3]

+- [4]

| |

| +- [1,4]

| | |

| | +- [3,1,4]

| | | |

| | | `- [5,3,1,4]

| | | |

| | | `- [2,5,3,1,4]

| | |

| | `- [5,1,4]

| | |

| | `- [2,5,1,4]

| |

| `- [2,4]

| |

| `- [5,2,4]

| |

| `- [3,5,2,4]

| |

| `- [1,3,5,2,4]

`- [5]

+- [1,5]

| |

| `- [4,1,5]

+- [2,5]

| |

| `- [4,2,5]

| |

| `- [1,4,2,5]

| |

| `- [3,1,4,2,5]

`- [3,5]

`- [1,3,5]

`- [4,1,3,5]

`- [2,4,1,3,5]

(nEstados n) es el número de estados en el problema de las n reinas. Por ejemplo,

     nEstados 4            ==  17
     nEstados 5            ==  54
     map nEstados [0..10]  ==  [1,2,3,6,17,54,153,552,2057,8394,35539]

nEstados 4 == 17

nEstados 5 == 54

map nEstados [0..10] == [1,2,3,6,17,54,153,552,2057,8394,35539]

(soluciones n) es la lista de estados que son soluciones del problema de las n reinas. Por ejemplo,

     λ> soluciones 4
     [[3,1,4,2],[2,4,1,3]]
     λ> soluciones 5
     [[4,2,5,3,1],[3,5,2,4,1],[5,3,1,4,2],[4,1,3,5,2],[5,2,4,1,3],
      [1,4,2,5,3],[2,5,3,1,4],[1,3,5,2,4],[3,1,4,2,5],[2,4,1,3,5]]

λ> soluciones 4

[[3,1,4,2],[2,4,1,3]]

λ> soluciones 5

[[4,2,5,3,1],[3,5,2,4,1],[5,3,1,4,2],[4,1,3,5,2],[5,2,4,1,3],

[1,4,2,5,3],[2,5,3,1,4],[1,3,5,2,4],[3,1,4,2,5],[2,4,1,3,5]]

(nSoluciones n) es el número de soluciones del problema de las n reinas. Por ejemplo,

     nSoluciones 4            ==  2
     nSoluciones 5            ==  10
     map nSoluciones [0..10]  ==  [1,1,0,0,2,10,4,40,92,352,724]

nSoluciones 4 == 2

nSoluciones 5 == 10

map nSoluciones [0..10] == [1,1,0,0,2,10,4,40,92,352,724]

Soluciones

[schedule expon=’2019-06-04′ expat=»06:00″]

Las soluciones se pueden escribir en los comentarios hasta el 04 de junio.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

Pensamiento

Ya algunos pedagogos comienzan a comprender que los niños no deben ser educados como meros aprendices de hombre, que hay algo sagrado en la infancia para vivir plenamente por ella.

Antonio Machado

[/schedule]

[schedule on=’2019-06-04′ at=»06:00″]

import Data.List ((\\))
import Data.Tree

-- Definición de arbolReinas
-- =========================

arbolReinas :: Int -> Tree [Int]
arbolReinas n = expansion n []
  where
    expansion m xs = Node xs [expansion (m-1) ys | ys <- sucesores n xs]

-- (sucesores n xs) es la lista de los sucesores del estado xs en el
-- problema de las n reinas. Por ejemplo,
--    sucesores 4 []       ==  [[1],[2],[3],[4]]
--    sucesores 4 [1]      ==  [[3,1],[4,1]]
--    sucesores 4 [4,1]    ==  [[2,4,1]]
--    sucesores 4 [2,4,1]  ==  []
sucesores :: Int -> [Int] -> [[Int]]
sucesores n xs = [y:xs | y <- [1..n] \\ xs
                       , noAtaca y xs 1]

-- (noAtaca y xs d) se verifica si la reina en la fila y no ataca a las
-- colocadas en las filas xs donde d es el número de columnas desde la
-- de la posición de x a la primera de xs.
noAtaca :: Int -> [Int] -> Int -> Bool
noAtaca _ [] _ = True
noAtaca y (x:xs) distH = abs(y-x) /= distH &&
                         noAtaca y xs (distH + 1)               

-- Definición de nEstados
-- ======================

nEstados :: Int -> Int
nEstados = length . arbolReinas

-- Definición de solucionesReinas
-- ==============================

--    λ> soluciones 4
--    [[3,1,4,2],[2,4,1,3]]
--    λ> soluciones 5
--    [[4,2,5,3,1],[3,5,2,4,1],[5,3,1,4,2],[4,1,3,5,2],[5,2,4,1,3],
--     [1,4,2,5,3],[2,5,3,1,4],[1,3,5,2,4],[3,1,4,2,5],[2,4,1,3,5]]
soluciones :: Int -> [[Int]]
soluciones n =
  filter (\xs -> length xs == n) (estados n)

-- (estados n) es la lista de estados del problema de las n reinas. Por
-- ejemplo, 
--   λ> estados 4
--   [[],
--    [1],[2],[3],[4],
--    [3,1],[4,1],[4,2],[1,3],[1,4],[2,4],
--    [2,4,1],[1,4,2],[4,1,3],[3,1,4],
--    [3,1,4,2],[2,4,1,3]]
estados :: Int -> [[Int]]
estados = concat . levels . arbolReinas

-- Definición de nSoluciones
-- =========================

nSoluciones :: Int -> Int
nSoluciones = length . soluciones

import Data.List ((\\))

import Data.Tree

-- Definición de arbolReinas

-- =========================

arbolReinas :: Int -> Tree [Int]

arbolReinas n = expansion n []

where

expansion m xs = Node xs [expansion (m-1) ys | ys <- sucesores n xs]

-- (sucesores n xs) es la lista de los sucesores del estado xs en el

-- problema de las n reinas. Por ejemplo,

-- sucesores 4 [] == [[1],[2],[3],[4]]

-- sucesores 4 [1] == [[3,1],[4,1]]

-- sucesores 4 [4,1] == [[2,4,1]]

-- sucesores 4 [2,4,1] == []

sucesores :: Int -> [Int] -> [[Int]]

sucesores n xs = [y:xs | y <- [1..n] \\ xs

, noAtaca y xs 1]

-- (noAtaca y xs d) se verifica si la reina en la fila y no ataca a las

-- colocadas en las filas xs donde d es el número de columnas desde la

-- de la posición de x a la primera de xs.

noAtaca :: Int -> [Int] -> Int -> Bool

noAtaca _ [] _ = True

noAtaca y (x:xs) distH = abs(y-x) /= distH &&

noAtaca y xs (distH + 1)

-- Definición de nEstados

-- ======================

nEstados :: Int -> Int

nEstados = length . arbolReinas

-- Definición de solucionesReinas

-- ==============================

-- λ> soluciones 4

-- [[3,1,4,2],[2,4,1,3]]

-- λ> soluciones 5

-- [[4,2,5,3,1],[3,5,2,4,1],[5,3,1,4,2],[4,1,3,5,2],[5,2,4,1,3],

-- [1,4,2,5,3],[2,5,3,1,4],[1,3,5,2,4],[3,1,4,2,5],[2,4,1,3,5]]

soluciones :: Int -> [[Int]]

soluciones n =

filter (\xs -> length xs == n) (estados n)

-- (estados n) es la lista de estados del problema de las n reinas. Por

-- ejemplo,

-- λ> estados 4

-- [[],

-- [1],[2],[3],[4],

-- [3,1],[4,1],[4,2],[1,3],[1,4],[2,4],

-- [2,4,1],[1,4,2],[4,1,3],[3,1,4],

-- [3,1,4,2],[2,4,1,3]]

estados :: Int -> [[Int]]

estados = concat . levels . arbolReinas

-- Definición de nSoluciones

-- =========================

nSoluciones :: Int -> Int

nSoluciones = length . soluciones

[/schedule]

El problema de las N torres

PorJosé A. Alonso 27-mayo-201926-mayo-2019

El problema de las N torres consiste en colocar N torres en un tablero con N filas y N columnas de forma que no haya dos torres en la misma fila ni en la misma columna.

Cada solución del problema de puede representar mediante una matriz con ceros y unos donde los unos representan las posiciones ocupadas por las torres y los ceros las posiciones libres. Por ejemplo,

   ( 0 1 0 )
   ( 1 0 0 )
   ( 0 0 1 )

( 0 1 0 )

( 1 0 0 )

( 0 0 1 )

representa una solución del problema de las 3 torres.

Definir las funciones

   torres  :: Int -> [Matrix Int]
   nTorres :: Int -> Integer

1 2	torres :: Int -> [Matrix Int] nTorres :: Int -> Integer

tales que

(torres n) es la lista de las soluciones del problema de las n torres. Por ejemplo,

      λ> torres 3
      [( 1 0 0 )
       ( 0 1 0 )
       ( 0 0 1 )
      ,( 1 0 0 )
       ( 0 0 1 )
       ( 0 1 0 )
      ,( 0 1 0 )
       ( 1 0 0 )
       ( 0 0 1 )
      ,( 0 1 0 )
       ( 0 0 1 )
       ( 1 0 0 )
      ,( 0 0 1 )
       ( 1 0 0 )
       ( 0 1 0 )
      ,( 0 0 1 )
       ( 0 1 0 )
       ( 1 0 0 )
      ]

λ> torres 3

[( 1 0 0 )

( 0 1 0 )

( 0 0 1 )

,( 1 0 0 )

( 0 0 1 )

( 0 1 0 )

,( 0 1 0 )

( 1 0 0 )

( 0 0 1 )

,( 0 1 0 )

( 0 0 1 )

( 1 0 0 )

,( 0 0 1 )

( 1 0 0 )

( 0 1 0 )

,( 0 0 1 )

( 0 1 0 )

( 1 0 0 )

]

donde se ha indicado con 1 las posiciones ocupadas por las torres.

(nTorres n) es el número de soluciones del problema de las n torres. Por ejemplo,

      λ> nTorres 3
      6
      λ> length (show (nTorres (10^4)))
      35660

λ> nTorres 3

λ> length (show (nTorres (10^4)))

35660

Soluciones

[schedule expon=’2019-06-03′ expat=»06:00″]

Las soluciones se pueden escribir en los comentarios hasta el 03 de junio.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

Pensamiento

Nubes, sol, prado verde y caserío \\
en la loma revueltos. Primavera \\
puso en el aire de este campo frío \\
la gracia de sus chopos de ribera.

Antonio Machado

[/schedule]

[schedule on=’2019-06-03′ at=»06:00″]

import Data.List (genericLength, sort, permutations)
import Data.Matrix 

-- 1ª definición de torres
-- =======================

torres1 :: Int -> [Matrix Int]
torres1 n = 
    [permutacionAmatriz n p | p <- sort (permutations [1..n])]

permutacionAmatriz :: Int -> [Int] -> Matrix Int
permutacionAmatriz n p =
    matrix n n f
    where f (i,j) | (i,j) `elem` posiciones = 1
                  | otherwise               = 0
          posiciones = zip [1..n] p    

-- 2ª definición de torres
-- =======================

torres2 :: Int -> [Matrix Int]
torres2 = map fromLists . permutations . toLists . identity

-- El cálculo con la definición anterior es:
--    λ> identity 3
--    ( 1 0 0 )
--    ( 0 1 0 )
--    ( 0 0 1 )
--    
--    λ> toLists it
--    [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
--    λ> permutations it
--    [[[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]],
--     [[0,1,0],[1,0,0],[0,0,1]],
--     [[0,0,1],[0,1,0],[1,0,0]],
--     [[0,1,0],[0,0,1],[1,0,0]],
--     [[0,0,1],[1,0,0],[0,1,0]],
--     [[1,0,0],[0,0,1],[0,1,0]]]
--    λ> map fromLists it
--    [( 1 0 0 )
--     ( 0 1 0 )
--     ( 0 0 1 )
--    ,( 0 1 0 )
--     ( 1 0 0 )
--     ( 0 0 1 )
--    ,( 0 0 1 )
--     ( 0 1 0 )
--     ( 1 0 0 )
--    ,( 0 1 0 )
--     ( 0 0 1 )
--     ( 1 0 0 )
--    ,( 0 0 1 )
--     ( 1 0 0 )
--     ( 0 1 0 )
--    ,( 1 0 0 )
--     ( 0 0 1 )
--     ( 0 1 0 )
--    ]

-- 1ª definición de nTorres
-- ========================

nTorres1 :: Int -> Integer
nTorres1 = genericLength . torres1

-- 2ª definición de nTorres
-- ========================

nTorres2 :: Int -> Integer
nTorres2 n = product [1..fromIntegral n]

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> nTorres1 9
--    362880
--    (4.22 secs, 693,596,128 bytes)
--    λ> nTorres2 9
--    362880
--    (0.00 secs, 0 bytes)

import Data.List (genericLength, sort, permutations)

import Data.Matrix

-- 1ª definición de torres

-- =======================

torres1 :: Int -> [Matrix Int]

torres1 n =

[permutacionAmatriz n p | p <- sort (permutations [1..n])]

permutacionAmatriz :: Int -> [Int] -> Matrix Int

permutacionAmatriz n p =

matrix n n f

where f (i,j) | (i,j) `elem` posiciones = 1

| otherwise = 0

posiciones = zip [1..n] p

-- 2ª definición de torres

-- =======================

torres2 :: Int -> [Matrix Int]

torres2 = map fromLists . permutations . toLists . identity

-- El cálculo con la definición anterior es:

-- λ> identity 3

-- ( 1 0 0 )

-- ( 0 1 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- λ> toLists it

-- [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]

-- λ> permutations it

-- [[[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]],

-- [[0,1,0],[1,0,0],[0,0,1]],

-- [[0,0,1],[0,1,0],[1,0,0]],

-- [[0,1,0],[0,0,1],[1,0,0]],

-- [[0,0,1],[1,0,0],[0,1,0]],

-- [[1,0,0],[0,0,1],[0,1,0]]]

-- λ> map fromLists it

-- [( 1 0 0 )

-- ( 0 1 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ,( 0 1 0 )

-- ( 1 0 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ,( 0 0 1 )

-- ( 0 1 0 )

-- ( 1 0 0 )

-- ,( 0 1 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ( 1 0 0 )

-- ,( 0 0 1 )

-- ( 1 0 0 )

-- ( 0 1 0 )

-- ,( 1 0 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ( 0 1 0 )

-- ]

-- 1ª definición de nTorres

-- ========================

nTorres1 :: Int -> Integer

nTorres1 = genericLength . torres1

-- 2ª definición de nTorres

-- ========================

nTorres2 :: Int -> Integer

nTorres2 n = product [1..fromIntegral n]

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> nTorres1 9

-- 362880

-- (4.22 secs, 693,596,128 bytes)

-- λ> nTorres2 9

-- 362880

-- (0.00 secs, 0 bytes)

[/schedule]

Meses: mayo 2019

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