diciembre 2019 – Exercitium

Derivada aritmética

PorJosé A. Alonso 31-diciembre-20197-enero-2020

La derivada aritmética es una función definida sobre los números naturales por analogía con la regla del producto para el cálculo de las derivadas usada en análisis.

Para un número natural n su derivada D(n) se define por

   D(0)  = 0
   D(1)  = 0
   D(p)  = 1, si p es primo
   D(ab) = D(a)b + aD(b) (regla de Leibniz para derivar productos)

D(0) = 0

D(1) = 0

D(p) = 1, si p es primo

D(ab) = D(a)b + aD(b) (regla de Leibniz para derivar productos)

Por ejemplo,

   D(6)  = D(2*3) = D(2)*3 + 2*D(3) = 1*3 + 2*1 =  5
   D(12) = D(2*6) = D(2)*6 + 2*D(6) = 1*6 + 2*5 = 16

1 2	D(6) = D(23) = D(2)3 + 2D(3) = 13 + 21 = 5 D(12) = D(26) = D(2)6 + 2D(6) = 16 + 25 = 16

Definir la función

   derivada :: Integer -> Integer

1	derivada :: Integer -> Integer

tal que (derivada n) es la derivada aritmética de n. Por ejemplo,

   derivada  6  ==  5
   derivada 12  ==  16
   maximum [derivada n | n <- [1..60000]]  ==  380928

derivada 6 == 5

derivada 12 == 16

maximum [derivada n | n <- [1..60000]] == 380928

Comprobar con QuickCheck que si x es un número entero positivo y su descomposición en factores primos es

   x = p(1)^e(1) + p(2)^e(2) +...+ p(n)^e(n)

1	x = p(1)^e(1) + p(2)^e(2) +...+ p(n)^e(n)

entonces la derivada de x es

   x * [e(1)/p(1) + e(2)/p(2) +...+ e(n)/p(n)]

1	x * [e(1)/p(1) + e(2)/p(2) +...+ e(n)/p(n)]

Nota: No usar en la definición la propiedad que hay que comprobar.

Soluciones

import Data.List (genericLength, group)
import Data.Numbers.Primes (isPrime, primeFactors)
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

derivada :: Integer -> Integer
derivada 0 = 0
derivada 1 = 0
derivada n | esPrimo n = 1
           | otherwise = (derivada a) * b + a * (derivada b)
  where a = menorFactor n
        b = n `div` a

-- (esPrimo n) se verifica si n es primo. Por ejemplo,
--    esPrimo 5  ==  True
--    esPrimo 6  ==  False
esPrimo :: Integer -> Bool
esPrimo 0 = False
esPrimo 1 = False
esPrimo n = n == menorFactor n

-- (menorFactor n) es el menor divisor primo de n (con n >= 2). Por
-- ejemplo, 
--    menorFactor 6   ==  2
--    menorFactor 7   ==  7
--    menorFactor 15  ==  3
menorFactor :: Integer -> Integer
menorFactor n
  | even n = 2
  | otherwise = head [x | x <- [3,5..]
                        , n `mod` x == 0]

-- 2ª solución
-- ===========

derivada2 :: Integer -> Integer
derivada2 0 = 0
derivada2 1 = 0
derivada2 n | isPrime n = 1
            | otherwise = (derivada2 a) * b + a * (derivada2 b)
  where (a:_) = primeFactors n
        b     = n `div` a

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

--    λ> maximum [derivada n | n <- [1..10000]]
--    53248
--    (1.59 secs, 1,091,452,552 bytes)
--    λ> maximum [derivada2 n | n <- [1..10000]]
--    53248
--    (0.17 secs, 457,819,120 bytes)

-- Propiedad
-- =========

-- La propiedad es
prop_derivada :: Integer -> Property
prop_derivada x =
  x > 0 ==>
  derivada x == sum [(x * e) `div` p | (p,e) <- factorizacion x]

-- (factorizacion x) es la lista de las bases y exponentes de
-- la descomposición prima de x. Por ejemplo,
--    factorizacion 600  ==  [(2,3),(3,1),(5,2)]
factorizacion :: Integer -> [(Integer,Integer)]
factorizacion n =
  [(head xs,genericLength xs) | xs <- group (primeFactors n)]

-- Su comprobación es
--    λ> quickCheck prop_derivada
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (genericLength, group)

import Data.Numbers.Primes (isPrime, primeFactors)

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

derivada :: Integer -> Integer

derivada 0 = 0

derivada 1 = 0

derivada n | esPrimo n = 1

| otherwise = (derivada a) * b + a * (derivada b)

where a = menorFactor n

b = n `div` a

-- (esPrimo n) se verifica si n es primo. Por ejemplo,

-- esPrimo 5 == True

-- esPrimo 6 == False

esPrimo :: Integer -> Bool

esPrimo 0 = False

esPrimo 1 = False

esPrimo n = n == menorFactor n

-- (menorFactor n) es el menor divisor primo de n (con n >= 2). Por

-- ejemplo,

-- menorFactor 6 == 2

-- menorFactor 7 == 7

-- menorFactor 15 == 3

menorFactor :: Integer -> Integer

menorFactor n

| even n = 2

| otherwise = head [x | x <- [3,5..]

, n `mod` x == 0]

-- 2ª solución

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

derivada2 :: Integer -> Integer

derivada2 0 = 0

derivada2 1 = 0

derivada2 n | isPrime n = 1

| otherwise = (derivada2 a) * b + a * (derivada2 b)

where (a:_) = primeFactors n

b = n `div` a

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> maximum [derivada n | n <- [1..10000]]

-- 53248

-- (1.59 secs, 1,091,452,552 bytes)

-- λ> maximum [derivada2 n | n <- [1..10000]]

-- 53248

-- (0.17 secs, 457,819,120 bytes)

-- Propiedad

-- =========

-- La propiedad es

prop_derivada :: Integer -> Property

prop_derivada x =

x > 0 ==>

derivada x == sum [(x * e) `div` p | (p,e) <- factorizacion x]

-- (factorizacion x) es la lista de las bases y exponentes de

-- la descomposición prima de x. Por ejemplo,

-- factorizacion 600 == [(2,3),(3,1),(5,2)]

factorizacion :: Integer -> [(Integer,Integer)]

factorizacion n =

[(head xs,genericLength xs) | xs <- group (primeFactors n)]

-- Su comprobación es

-- λ> quickCheck prop_derivada

-- +++ OK, passed 100 tests.

Referencias

Arithmetic derivative en Wikipedia.
Sucesión A003415 de OEIS.

Pensamiento

En ese jardín, Guiomar,
el mutuo jardín que inventan
dos corazones al par,
se funden y complementan
nuestras horas.

Antonio Machado

Postulado de Bertrand

PorJosé A. Alonso 30-diciembre-20196-enero-2020

El postulado de Bertrand afirma que para cualquier número entero n > 1, existe al menos un número primo p con n < p < 2n.

Definir la función

   siguientePrimo :: Integer -> Integer

1	siguientePrimo :: Integer -> Integer

tal que (siguientePrimo n) es el menor primo mayor que n. Por ejemplo,

   siguientePrimo 8   ==  11
   siguientePrimo 11  ==  13

1 2	siguientePrimo 8 == 11 siguientePrimo 11 == 13

Comprobar con QuickCheck el postulado de Bertrand; es decir, para todo entero n > 1, se verifica que n < p < 2n, donde p es (siguientePrimo n).

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck

siguientePrimo :: Integer -> Integer
siguientePrimo n = head (dropWhile (<= n) primes)

-- La propiedad es
postuladoDeBertrand :: Integer -> Property
postuladoDeBertrand n =
  n > 1 ==> n < p && p < 2 * n
  where p = siguientePrimo n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck postuladoDeBertrand
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.Numbers.Primes

import Test.QuickCheck

siguientePrimo :: Integer -> Integer

siguientePrimo n = head (dropWhile (<= n) primes)

-- La propiedad es

postuladoDeBertrand :: Integer -> Property

postuladoDeBertrand n =

n > 1 ==> n < p && p < 2 * n

where p = siguientePrimo n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck postuladoDeBertrand

-- +++ OK, passed 100 tests.

Referencias

Bertrand’s postulate en Wikipedia.

Pensamiento

Pero caer de cabeza,
en esta noche sin luna,
en medio de esta maleza,
junto a la negra laguna.

Antonio Machado

Posiciones de conjuntos finitos de naturales

PorJosé A. Alonso 27-diciembre-20193-enero-2020

En un ejercicio anterior se mostró que los conjuntos finitos de números naturales se pueden enumerar como sigue

    0: []
    1: [0]
    2: [1]
    3: [1,0]
    4: [2]
    5: [2,0]
    6: [2,1]
    7: [2,1,0]
    8: [3]
    9: [3,0]
   10: [3,1]
   11: [3,1,0]
   12: [3,2]
   13: [3,2,0]
   14: [3,2,1]
   15: [3,2,1,0]
   16: [4]
   17: [4,0]
   18: [4,1]
   19: [4,1,0]

0: []

1: [0]

2: [1]

3: [1,0]

4: [2]

5: [2,0]

6: [2,1]

7: [2,1,0]

8: [3]

9: [3,0]

10: [3,1]

11: [3,1,0]

12: [3,2]

13: [3,2,0]

14: [3,2,1]

15: [3,2,1,0]

16: [4]

17: [4,0]

18: [4,1]

19: [4,1,0]

en la que los elementos están ordenados de manera decreciente.

Además, se definió la constante

   enumeracionCFN :: [[Integer]]

1	enumeracionCFN :: [[Integer]]

tal que sus elementos son los conjuntos de los números naturales con la ordenación descrita anteriormente. Por ejemplo,

   λ> take 20 enumeracionCFN
   [[],
    [0],
    [1],[1,0],
    [2],[2,0],[2,1],[2,1,0],
    [3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0],
    [4],[4,0],[4,1],[4,1,0]]

λ> take 20 enumeracionCFN

[[],

[0],

[1],[1,0],

[2],[2,0],[2,1],[2,1,0],

[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0],

[4],[4,0],[4,1],[4,1,0]]

Definir la función

   posicion :: [Integer] -> Integer

1	posicion :: [Integer] -> Integer

tal que (posicion xs) es la posición del conjunto finito de números naturales xs, representado por una lista decreciente, en enumeracionCFN. Por ejemplo,

   posicion [2,0]          ==  5
   posicion [2,1]          ==  6
   posicion [2,1,0]        ==  7
   posicion [0]            ==  1
   posicion [1,0]          ==  3
   posicion [2,1,0]        ==  7
   posicion [3,2,1,0]      ==  15
   posicion [4,3,2,1,0]    ==  31
   posicion [5,4,3,2,1,0]  ==  63
   length (show (posicion [3*10^7])) == 9030900

posicion [2,0] == 5

posicion [2,1] == 6

posicion [2,1,0] == 7

posicion [0] == 1

posicion [1,0] == 3

posicion [2,1,0] == 7

posicion [3,2,1,0] == 15

posicion [4,3,2,1,0] == 31

posicion [5,4,3,2,1,0] == 63

length (show (posicion [3*10^7])) == 9030900

Comprobar con QuickCheck que para todo número natural n,

   posicion [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1.

1	posicion [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1.

Soluciones

import Data.List (genericLength, nub, sort)
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

posicion :: [Integer] -> Integer
posicion xs =
  genericLength (takeWhile (< xs) enumeracionCFN)

enumeracionCFN :: [[Integer]]
enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración
-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,
--    λ> enumeracionCFNHasta 1
--    [[1],[1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 2
--    [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 3
--    [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]
enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]
enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]
enumeracionCFNHasta n =
  [n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución
-- ===========

posicion2 :: [Integer] -> Integer
posicion2 []     = 0
posicion2 (x:xs) = 2^x + posicion2 xs

-- 3ª solución
-- ===========

posicion3 :: [Integer] -> Integer
posicion3 = foldr (\x -> (+) (2^x)) 0 

-- 4ª solución
-- ===========

posicion4 :: [Integer] -> Integer
posicion4 xs = sum [2^x | x <- xs ]

-- Equivalencia de las definiciones
-- ================================

-- La propiedad es
prop_equiv :: [Integer] -> Bool
prop_equiv xs =
  all (== posicion xs') [f xs' | f <- [ posicion2
                                      , posicion3
                                      , posicion4]]
  where xs' = reverse (sort (nub (map abs xs)))

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=15}) prop_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.

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

-- La comparación es
--    λ> posicion [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    (2.61 secs, 1,754,265,776 bytes)
--    λ> posicion2 [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    (0.01 secs, 111,808 bytes)
--    λ> posicion3 [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    λ> posicion4 [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    (0.01 secs, 111,704 bytes)

--    λ> length (show (posicion2 [3*10^7]))
--    9030900
--    (2.06 secs, 571,911,304 bytes)
--    λ> length (show (posicion3 [3*10^7]))
--    9030900
--    (2.06 secs, 571,911,544 bytes)
--    λ> length (show (posicion4 [3*10^7]))
--    9030900
--    (2.05 secs, 571,911,464 bytes)

-- Propiedad
-- =========

-- La propiedad es
prop_posicion :: Integer -> Property
prop_posicion n =
  n >= 0 ==> posicion3 [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_posicion
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (genericLength, nub, sort)

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

posicion :: [Integer] -> Integer

posicion xs =

genericLength (takeWhile (< xs) enumeracionCFN)

enumeracionCFN :: [[Integer]]

enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración

-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,

-- λ> enumeracionCFNHasta 1

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

-- λ> enumeracionCFNHasta 2

-- [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]

-- λ> enumeracionCFNHasta 3

-- [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]

enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]

enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]

enumeracionCFNHasta n =

[n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución

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

posicion2 :: [Integer] -> Integer

posicion2 [] = 0

posicion2 (x:xs) = 2^x + posicion2 xs

-- 3ª solución

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

posicion3 :: [Integer] -> Integer

posicion3 = foldr (\x -> (+) (2^x)) 0

-- 4ª solución

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

posicion4 :: [Integer] -> Integer

posicion4 xs = sum [2^x | x <- xs ]

-- Equivalencia de las definiciones

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

-- La propiedad es

prop_equiv :: [Integer] -> Bool

prop_equiv xs =

all (== posicion xs') [f xs' | f <- [ posicion2

, posicion3

, posicion4]]

where xs' = reverse (sort (nub (map abs xs)))

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=15}) prop_equiv

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

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

-- La comparación es

-- λ> posicion [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- (2.61 secs, 1,754,265,776 bytes)

-- λ> posicion2 [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- (0.01 secs, 111,808 bytes)

-- λ> posicion3 [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- λ> posicion4 [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- (0.01 secs, 111,704 bytes)

-- λ> length (show (posicion2 [3*10^7]))

-- 9030900

-- (2.06 secs, 571,911,304 bytes)

-- λ> length (show (posicion3 [3*10^7]))

-- 9030900

-- (2.06 secs, 571,911,544 bytes)

-- λ> length (show (posicion4 [3*10^7]))

-- 9030900

-- (2.05 secs, 571,911,464 bytes)

-- Propiedad

-- =========

-- La propiedad es

prop_posicion :: Integer -> Property

prop_posicion n =

n >= 0 ==> posicion3 [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_posicion

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

¡Volar sin alas donde todo es cielo!

Antonio Machado

Conjuntos con más sumas que restas

PorJosé A. Alonso 26-diciembre-20192-enero-2020

Dado un conjunto de números naturales, por ejemplo A = {0, 2, 3, 4}, calculamos las sumas de todos los pares de elementos de A. Como A tiene 4 elementos hay 16 pares, pero no todas sus sumas son distintas. En este caso solo hay 8 sumas distintas: {0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}. Procediendo análogamente hay 9 diferencias distinatas entre los pares de A: {-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4}.

Experimentando con más conjuntos, se puede conjeturar que el número de restas es mayor que el de sumas y argumentar que que mientras que con dos números distintos sólo se produce una suma distints sin embargo se producen dos restas distintas. Por ejemplo, con 5 y 7 sólo se produce una suma (ya que 5+7 y 7+5 ambos dan 12) pero dos restas (ya que 5-7 y 7-5 dan -2 y 2, respectivamente).

Sin embargo, la conjetura es falsa. Un contraejemplo en el conjunto {0, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 14}, que tiene 26 sumas distintas con sus pares de elementos pero sólo 25 restas.

Los conjuntos con más sumas distintas con sus pares de elementos que restas se llaman conjuntos MSQR (por «más sumas que restas»).

El objetivo de este ejercicio es calcular los conjuntos MSQR.

Definir las funciones

   tieneMSQR :: [Integer] -> Bool
   conjuntosMSQR :: [[Integer]]

1 2	tieneMSQR :: [Integer] -> Bool conjuntosMSQR :: [[Integer]]

tales que

(tieneMSQR xs) se verifica si el conjunto xs tiene más sumas que restas. Por ejemplo,

     tieneMSQR [0, 2, 3, 4]                 ==  False
     tieneMSQR [0, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 14]  ==  True

1 2	tieneMSQR [0, 2, 3, 4] == False tieneMSQR [0, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 14] == True

conjuntosMSQR es la lista de los conjuntos MSQR. Por ejemplo,

     λ> take 5 conjuntosMSQR
     [[14,12,11,7,4,3,2,0],
      [14,12,11,10,7,3,2,0],
      [14,13,12,9,5,4,2,1,0],
      [14,13,12,10,9,5,2,1,0],
      [15,13,12,8,5,4,3,1]]
   
      length (takeWhile (< [14]) conjuntosMSQR)   ==  0
      length (takeWhile (< [15]) conjuntosMSQR)   ==  4
      length (takeWhile (< [16]) conjuntosMSQR)   ==  10
      length (takeWhile (< [17]) conjuntosMSQR)   ==  30

λ> take 5 conjuntosMSQR

[[14,12,11,7,4,3,2,0],

[14,12,11,10,7,3,2,0],

[14,13,12,9,5,4,2,1,0],

[14,13,12,10,9,5,2,1,0],

[15,13,12,8,5,4,3,1]]

length (takeWhile (< [14]) conjuntosMSQR) == 0

length (takeWhile (< [15]) conjuntosMSQR) == 4

length (takeWhile (< [16]) conjuntosMSQR) == 10

length (takeWhile (< [17]) conjuntosMSQR) == 30

Soluciones

import Data.List (tails, nub, sort)

-- 1ª solución
-- ===========

-- (sumas xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
sumas :: [Integer] -> [Integer]
sumas xs = nub [x + y | x <- xs, y <- xs]

-- (restas xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    restas [0,2,3,4]  ==  [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]
restas :: [Integer] -> [Integer]
restas xs = nub [x - y | x <- xs, y <- xs]

tieneMSQR :: [Integer] -> Bool
tieneMSQR xs = length (sumas xs) > length (restas xs)

conjuntosMSQR :: [[Integer]]
conjuntosMSQR = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR xs]

-- enumeracionCFN es la enumeración de los conjuntos finitos de números
-- naturales del ejercicio anterior.
enumeracionCFN :: [[Integer]]
enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración
-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,
--    λ> enumeracionCFNHasta 1
--    [[1],[1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 2
--    [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 3
--    [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]
enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]
enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]
enumeracionCFNHasta n =
  [n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución
-- ===========

-- (sumas2 xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
sumas2 :: [Integer] -> [Integer]
sumas2 xs = nub [x + y | (x:ys) <- tails xs, y <- (x:ys)]

-- (restas2 xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
--    restas2 [0,2,3,4]  ==  [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]
restas2 :: [Integer] -> [Integer]
restas2 xs = 0 : ys ++ map negate ys
  where ys = nub [x - y | (x:ys) <- tails (sort xs), y <- ys]

tieneMSQR2 :: [Integer] -> Bool
tieneMSQR2 xs = length (sumas2 xs) > length (restas2 xs)

conjuntosMSQR2 :: [[Integer]]
conjuntosMSQR2 = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR2 xs]

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

--    λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR)
--    66
--    (21.36 secs, 10,301,222,168 bytes)
--    λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR2)
--    66
--    (10.13 secs, 7,088,969,752 bytes)

import Data.List (tails, nub, sort)

-- 1ª solución

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

-- (sumas xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- sumas2 [0,2,3,4] == [0,2,3,4,5,6,7,8]

sumas :: [Integer] -> [Integer]

sumas xs = nub [x + y | x <- xs, y <- xs]

-- (restas xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- restas [0,2,3,4] == [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]

restas :: [Integer] -> [Integer]

restas xs = nub [x - y | x <- xs, y <- xs]

tieneMSQR :: [Integer] -> Bool

tieneMSQR xs = length (sumas xs) > length (restas xs)

conjuntosMSQR :: [[Integer]]

conjuntosMSQR = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR xs]

-- enumeracionCFN es la enumeración de los conjuntos finitos de números

-- naturales del ejercicio anterior.

enumeracionCFN :: [[Integer]]

enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración

-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,

-- λ> enumeracionCFNHasta 1

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

-- λ> enumeracionCFNHasta 2

-- [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]

-- λ> enumeracionCFNHasta 3

-- [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]

enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]

enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]

enumeracionCFNHasta n =

[n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución

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

-- (sumas2 xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- sumas2 [0,2,3,4] == [0,2,3,4,5,6,7,8]

sumas2 :: [Integer] -> [Integer]

sumas2 xs = nub [x + y | (x:ys) <- tails xs, y <- (x:ys)]

-- (restas2 xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- sumas2 [0,2,3,4] == [0,2,3,4,5,6,7,8]

-- restas2 [0,2,3,4] == [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]

restas2 :: [Integer] -> [Integer]

restas2 xs = 0 : ys ++ map negate ys

where ys = nub [x - y | (x:ys) <- tails (sort xs), y <- ys]

tieneMSQR2 :: [Integer] -> Bool

tieneMSQR2 xs = length (sumas2 xs) > length (restas2 xs)

conjuntosMSQR2 :: [[Integer]]

conjuntosMSQR2 = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR2 xs]

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR)

-- 66

-- (21.36 secs, 10,301,222,168 bytes)

-- λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR2)

-- 66

-- (10.13 secs, 7,088,969,752 bytes)

Pensamiento

¡Qué fácil es volar, qué fácil es!
Todo consiste en no dejar que el suelo
se acerque a nuestros pies.

Antonio Machado

Enumeración de conjuntos finitos de naturales

PorJosé A. Alonso 25-diciembre-20191-enero-2020

Los conjuntos finitos de números naturales se pueden enumerar como sigue

    0: []
    1: [0]
    2: [1]
    3: [1,0]
    4: [2]
    5: [2,0]
    6: [2,1]
    7: [2,1,0]
    8: [3]
    9: [3,0]
   10: [3,1]
   11: [3,1,0]
   12: [3,2]
   13: [3,2,0]
   14: [3,2,1]
   15: [3,2,1,0]
   16: [4]
   17: [4,0]
   18: [4,1]
   19: [4,1,0]

0: []

1: [0]

2: [1]

3: [1,0]

4: [2]

5: [2,0]

6: [2,1]

7: [2,1,0]

8: [3]

9: [3,0]

10: [3,1]

11: [3,1,0]

12: [3,2]

13: [3,2,0]

14: [3,2,1]

15: [3,2,1,0]

16: [4]

17: [4,0]

18: [4,1]

19: [4,1,0]

en la que los elementos están ordenados de manera decreciente.

Definir la constante

   enumeracionCFN :: [[Integer]]

1	enumeracionCFN :: [[Integer]]

tal que sus elementos son los conjuntos de los números naturales con la ordenación descrita anteriormente. Por ejemplo,

   λ> take 20 enumeracionCFN
   [[],
    [0],
    [1],[1,0],
    [2],[2,0],[2,1],[2,1,0],
    [3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0],
    [4],[4,0],[4,1],[4,1,0]]

λ> take 20 enumeracionCFN

[[],

[0],

[1],[1,0],

[2],[2,0],[2,1],[2,1,0],

[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0],

[4],[4,0],[4,1],[4,1,0]]

Comprobar con QuickCheck que

si (xs,ys) es un par de elementos consecutivos de enumeracionCFN, entonces xs < ys;
todo conjunto finito de números naturales, representado por una lista decreciente, está en enumeracionCFN.

Soluciones

import Data.List (genericLength, nub, sort)
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

enumeracionCFN :: [[Integer]]
enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración
-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,
--    λ> enumeracionCFNHasta 1
--    [[1],[1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 2
--    [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 3
--    [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]
enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]
enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]
enumeracionCFNHasta n =
  [n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución
-- ===========

enumeracionCFN2 :: [[Integer]]
enumeracionCFN2 = [] : aux 0 [[]]
  where aux n xs = yss ++ aux (n+1) (xs ++ yss)
          where yss = map (n:) xs

-- 3ª solución
-- ===========

enumeracionCFN3 :: [[Integer]]
enumeracionCFN3 = map conjunto [0..]

-- (conjunto n) es el conjunto en la posición n. Por ejemplo,
--   conjunto 6  ==  [2,1]
conjunto :: Integer -> [Integer]
conjunto n = reverse [x | (x,y) <- zip [0..] (binario n), y == 1]

-- (binario n) es la representación binarioa del número n (en orden
-- inverso). Por ejemplo,
--   binario 6  ==  [0,1,1]
binario :: Integer -> [Integer]
binario 0 = [0]
binario 1 = [1]
binario n = n `mod` 2 : binario (n `div` 2)

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

--    λ> enumeracionCFN !! (4*10^5)
--    [18,17,12,11,9,7]
--    (1.18 secs, 576,924,344 bytes)
--    λ> enumeracionCFN2 !! (4*10^5)
--    [18,17,12,11,9,7]
--    (0.10 secs, 72,399,784 bytes)
--    λ> enumeracionCFN3 !! (4*10^5)
--    [18,17,12,11,9,7]
--    (0.07 secs, 64,123,952 bytes)
--
--    λ> enumeracionCFN2 !! (6*10^6)
--    [22,20,19,17,16,15,11,10,8,7]
--    (1.25 secs, 1,082,690,216 bytes)
--    λ> enumeracionCFN3 !! (6*10^6)
--    [22,20,19,17,16,15,11,10,8,7]
--    (0.38 secs, 960,134,256 bytes)

-- Propiedades
-- ===========

-- La primera propiedad es
prop_enumeracionCFN :: Int -> Property
prop_enumeracionCFN n =
  n >= 0 ==> xs < ys
  where (xs:ys:_) = drop n enumeracionCFN

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_enumeracionCFN
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- La segunda propiedad es
prop_completa :: [Integer] -> Bool
prop_completa xs =
  xs' `elem` enumeracionCFN
  where xs' = reverse (sort (nub (map abs xs)))

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=15}) prop_completa
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (genericLength, nub, sort)

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

enumeracionCFN :: [[Integer]]

enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración

-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,

-- λ> enumeracionCFNHasta 1

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

-- λ> enumeracionCFNHasta 2

-- [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]

-- λ> enumeracionCFNHasta 3

-- [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]

enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]

enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]

enumeracionCFNHasta n =

[n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución

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

enumeracionCFN2 :: [[Integer]]

enumeracionCFN2 = [] : aux 0 [[]]

where aux n xs = yss ++ aux (n+1) (xs ++ yss)

where yss = map (n:) xs

-- 3ª solución

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

enumeracionCFN3 :: [[Integer]]

enumeracionCFN3 = map conjunto [0..]

-- (conjunto n) es el conjunto en la posición n. Por ejemplo,

-- conjunto 6 == [2,1]

conjunto :: Integer -> [Integer]

conjunto n = reverse [x | (x,y) <- zip [0..] (binario n), y == 1]

-- (binario n) es la representación binarioa del número n (en orden

-- inverso). Por ejemplo,

-- binario 6 == [0,1,1]

binario :: Integer -> [Integer]

binario 0 = [0]

binario 1 = [1]

binario n = n `mod` 2 : binario (n `div` 2)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> enumeracionCFN !! (4*10^5)

-- [18,17,12,11,9,7]

-- (1.18 secs, 576,924,344 bytes)

-- λ> enumeracionCFN2 !! (4*10^5)

-- [18,17,12,11,9,7]

-- (0.10 secs, 72,399,784 bytes)

-- λ> enumeracionCFN3 !! (4*10^5)

-- [18,17,12,11,9,7]

-- (0.07 secs, 64,123,952 bytes)

-- λ> enumeracionCFN2 !! (6*10^6)

-- [22,20,19,17,16,15,11,10,8,7]

-- (1.25 secs, 1,082,690,216 bytes)

-- λ> enumeracionCFN3 !! (6*10^6)

-- [22,20,19,17,16,15,11,10,8,7]

-- (0.38 secs, 960,134,256 bytes)

-- Propiedades

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

-- La primera propiedad es

prop_enumeracionCFN :: Int -> Property

prop_enumeracionCFN n =

n >= 0 ==> xs < ys

where (xs:ys:_) = drop n enumeracionCFN

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_enumeracionCFN

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- La segunda propiedad es

prop_completa :: [Integer] -> Bool

prop_completa xs =

xs' `elem` enumeracionCFN

where xs' = reverse (sort (nub (map abs xs)))

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=15}) prop_completa

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Junto al agua fría,
en la senda clara,
sombra dará algún día,
ese arbolillo en que nadie repara.

Antonio Machado

Meses: diciembre 2019

Postulado de Bertrand

Soluciones

Referencias

Pensamiento

Posiciones de conjuntos finitos de naturales

Soluciones

Pensamiento

Conjuntos con más sumas que restas

Soluciones

Pensamiento

Enumeración de conjuntos finitos de naturales

Soluciones

Pensamiento

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