enero 2020 – Página 2

Teorema de la amistad

PorJosé A. Alonso 17-enero-202024-enero-2020

El teorema de la amistad afirma que

En cualquier reunión de n personas hay al menos dos personas que tienen el mismo número de amigos (suponiendo que la relación de amistad es simétrica).

Se pueden usar las siguientes representaciones:

números enteros para representar a las personas,
pares de enteros (x,y), con x < y, para representar que la persona x e y son amigas y
lista de pares de enteros para representar la reunión junto con las relaciones de amistad.

Por ejemplo, [(2,3),(3,5)] representa una reunión de tres personas
(2, 3 y 5) donde

2 es amiga de 3,
3 es amiga de 2 y 5 y
5 es amiga de 3.
Si clasificamos las personas poniendo en la misma clase las que tienen el mismo número de amigos, se obtiene [[2,5],[3]] ya que 2 y 5 tienen 1 amigo y 3 tiene 2 amigos.

Definir la función

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

1	clasesAmigos :: [(Int,Int)] -> [[Int]]

tal que (clasesAmigos r) es la clasificación según el número de amigos de las personas de la reunión r; es decir, la lista cuyos elementos son las listas de personas con 1 amigo, con 2 amigos y así hasta que se completa todas las personas de la reunión r. Por ejemplo,

   clasesAmigos [(2,3),(3,5)]            ==  [[2,5],[3]]
   clasesAmigos [(2,3),(4,5)]            ==  [[2,3,4,5]]
   clasesAmigos [(2,3),(2,5),(3,5)]      ==  [[2,3,5]]
   clasesAmigos [(2,3),(3,4),(2,5)]      ==  [[4,5],[2,3]]
   clasesAmigos [(x,x+1) | x <- [1..5]]  ==  [[1,6],[2,3,4,5]]
   length (clasesAmigos [(x,x+1) | x <- [1..2020]]) == 2

clasesAmigos [(2,3),(3,5)] == [[2,5],[3]]

clasesAmigos [(2,3),(4,5)] == [[2,3,4,5]]

clasesAmigos [(2,3),(2,5),(3,5)] == [[2,3,5]]

clasesAmigos [(2,3),(3,4),(2,5)] == [[4,5],[2,3]]

clasesAmigos [(x,x+1) | x <- [1..5]] == [[1,6],[2,3,4,5]]

length (clasesAmigos [(x,x+1) | x <- [1..2020]]) == 2

Comprobar con QuickCheck el teorema de la amistad; es decir, si r es una lista de pares de enteros, entonces (clasesAmigos r’) donde r’ es la lista de los pares (x,y) de r con x < y y se supone que r’ es no vacía.

Soluciones

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

-- 1ª solución
-- ===========

clasesAmigos :: [(Int,Int)] -> [[Int]]
clasesAmigos ps =
  filter (not . null)
         [[x | x <- xs, numeroDeAmigos ps x == n] | n <- [1..length xs]] 
  where xs = personas ps
    
-- (personas ps) es la lista de personas en la reunión ps. Por ejemplo,
--    personas [(2,3),(3,5)]  ==  [2,3,5]
personas :: [(Int,Int)] -> [Int]
personas ps = sort (nub (map fst ps ++ map snd ps))

-- (numeroDeAmigos ps x) es el número de amigos de x en la reunión
-- ps. Por ejemplo, 
--    numeroDeAmigos [(2,3),(3,5)] 2  ==  1
--    numeroDeAmigos [(2,3),(3,5)] 3  ==  2
--    numeroDeAmigos [(2,3),(3,5)] 5  ==  1
numeroDeAmigos :: [(Int,Int)] -> Int -> Int
numeroDeAmigos ps x = length (amigos ps x)

-- (amigos ps x) es la lista de los amigos de x en la reunión ps. Por
-- ejemplo, 
--    amigos [(2,3),(3,5)] 2  ==  [3]
--    amigos [(2,3),(3,5)] 3  ==  [5,2]
--    amigos [(2,3),(3,5)] 5  ==  [3]
amigos :: [(Int,Int)] -> Int -> [Int]
amigos ps x =
  nub ([b | (a,b) <- ps, a == x] ++ [a | (a,b) <- ps, b == x])

-- 2ª solución
-- ===========

clasesAmigos2 :: [(Int,Int)] -> [[Int]]
clasesAmigos2 = clases . sort . tablaAmigos
  where
    clases [] = []
    clases ps@((x,y):ps') = (map snd (takeWhile (\(a,b) -> a == x) ps)) :
                            clases (dropWhile (\(a,b) -> a == x) ps')

-- (tablaAmigos ps) es la lista de pares (a,b) tales que b es una
-- persona de la reunión ps y a es su número de amigos. Por ejemplo,
--    tablaAmigos [(2,3),(3,5)]   ==  [(1,2),(2,3),(1,5)]
tablaAmigos :: [(Int,Int)] -> [(Int,Int)]
tablaAmigos ps = [(numeroDeAmigos ps x,x) | x <- personas ps]

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

-- La propiedad es
prop_equivalencia :: [(Int,Int)] -> Property
prop_equivalencia ps =
  not (null ps')
  ==> 
  clasesAmigos ps' == clasesAmigos2 ps'
  where ps' = [(x,y) | (x,y) <- ps, x < y]

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_equivalencia
--    +++ OK, passed 100 tests.
--    (1.06 secs, 337,106,752 bytes)

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

--    λ> length (clasesAmigos [(x,x+1) | x <- [1..200]]) 
--    2
--    (2.37 secs, 804,402,848 bytes)
--    λ> length (clasesAmigos2 [(x,x+1) | x <- [1..200]]) 
--    2
--    (0.02 secs, 4,287,256 bytes)

-- El teorema de la amistad
-- ========================

-- La propiedad es
teoremaDeLaAmistad :: [(Int,Int)] -> Property
teoremaDeLaAmistad ps =
  not (null ps')
  ==> 
  not (null [xs | xs <- clasesAmigos2 ps', length xs > 1])
  where ps' = [(x,y) | (x,y) <- ps, x < y]

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

import Data.List (nub, sort)

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

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

clasesAmigos ps =

filter (not . null)

[[x | x <- xs, numeroDeAmigos ps x == n] | n <- [1..length xs]]

where xs = personas ps

-- (personas ps) es la lista de personas en la reunión ps. Por ejemplo,

-- personas [(2,3),(3,5)] == [2,3,5]

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

personas ps = sort (nub (map fst ps ++ map snd ps))

-- (numeroDeAmigos ps x) es el número de amigos de x en la reunión

-- ps. Por ejemplo,

-- numeroDeAmigos [(2,3),(3,5)] 2 == 1

-- numeroDeAmigos [(2,3),(3,5)] 3 == 2

-- numeroDeAmigos [(2,3),(3,5)] 5 == 1

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

numeroDeAmigos ps x = length (amigos ps x)

-- (amigos ps x) es la lista de los amigos de x en la reunión ps. Por

-- ejemplo,

-- amigos [(2,3),(3,5)] 2 == [3]

-- amigos [(2,3),(3,5)] 3 == [5,2]

-- amigos [(2,3),(3,5)] 5 == [3]

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

amigos ps x =

nub ([b | (a,b) <- ps, a == x] ++ [a | (a,b) <- ps, b == x])

-- 2ª solución

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

clasesAmigos2 :: [(Int,Int)] -> [[Int]]

clasesAmigos2 = clases . sort . tablaAmigos

where

clases [] = []

clases ps@((x,y):ps') = (map snd (takeWhile (\(a,b) -> a == x) ps)) :

clases (dropWhile (\(a,b) -> a == x) ps')

-- (tablaAmigos ps) es la lista de pares (a,b) tales que b es una

-- persona de la reunión ps y a es su número de amigos. Por ejemplo,

-- tablaAmigos [(2,3),(3,5)] == [(1,2),(2,3),(1,5)]

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

tablaAmigos ps = [(numeroDeAmigos ps x,x) | x <- personas ps]

-- Equivalencia de las definiciones

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

-- La propiedad es

prop_equivalencia :: [(Int,Int)] -> Property

prop_equivalencia ps =

not (null ps')

==>

clasesAmigos ps' == clasesAmigos2 ps'

where ps' = [(x,y) | (x,y) <- ps, x < y]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_equivalencia

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- (1.06 secs, 337,106,752 bytes)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> length (clasesAmigos [(x,x+1) | x <- [1..200]])

-- 2

-- (2.37 secs, 804,402,848 bytes)

-- λ> length (clasesAmigos2 [(x,x+1) | x <- [1..200]])

-- 2

-- (0.02 secs, 4,287,256 bytes)

-- El teorema de la amistad

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

-- La propiedad es

teoremaDeLaAmistad :: [(Int,Int)] -> Property

teoremaDeLaAmistad ps =

not (null ps')

==>

not (null [xs | xs <- clasesAmigos2 ps', length xs > 1])

where ps' = [(x,y) | (x,y) <- ps, x < y]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck teoremaDeLaAmistad

-- +++ OK, passed 100 tests.

Referencia

Pigeonhole among friends

Pensamiento

Me dijo el agua clara que reía,
bajo el sol, sobre el mármol de la fuente:
si te inquieta el enigma del presente
aprende el son de la salmodia mía.

Antonio Machado

Elementos múltiplos de la longitud de la lista

PorJosé A. Alonso 16-enero-202023-enero-2020

Definir las funciones

   multiplosDeLaLongitud :: [Int] -> [Int]
   multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos :: Int -> Int -> [Int]

1 2	multiplosDeLaLongitud :: [Int] -> [Int] multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos :: Int -> Int -> [Int]

tales que

(multiplosDeLaLongitud xs) es la lista de los elementos de xs que son múltiplos de la longitud de xs. Por ejemplo,

     multiplosDeLaLongitud [2,4,6,8] == [4,8]

1	multiplosDeLaLongitud [2,4,6,8] == [4,8]

(multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m) es la lista de elementos de [n..n+m-1] que son múltiplos de n. Por ejemplo,

     multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos 9 2  ==  [10]
     multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos 9 12 ==  [12]

1 2	multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos 9 2 == [10] multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos 9 12 == [12]

Comprobar con QuickCheck si se verifican las siguientes propiedades

En cualquier conjunto de m elementos consecutivos, m divide exactamente a uno de dichos elementos. En otras palabras, si n y m son enteros positivos, entonces (multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m) tiene exactamente un elemento.
Si n es un entero positivo y m >= n, entonces (multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m) es igual a [m]
Si n y n son enteros positivos y m < n, entonces (multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m) es igual a [m * ceiling (n’ / m’)] donde n’ y m’ son las formas decimales de n y m respectivamente.

Soluciones

import Test.QuickCheck

multiplosDeLaLongitud :: [Int] -> [Int]
multiplosDeLaLongitud xs =
  [x | x <- xs
     , x `mod`  n == 0]
  where n = length xs

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos :: Int -> Int -> [Int]
multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m =
  multiplosDeLaLongitud [n..n+m-1]

-- La 1ª propiedad es
prop_multiplosDeLaLongitud :: Int -> Int -> Property
prop_multiplosDeLaLongitud n m =
  n > 0 && m > 0
  ==>
  length (multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m) == 1

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

-- La 2ª propiedad es
prop_multiplosDeLaLongitud2 :: Int -> Int -> Property
prop_multiplosDeLaLongitud2 n m =
  n > 0 && m >= n
  ==>
  multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m == [m]

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_multiplosDeLaLongitud2
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- La 3ª propiedad es
prop_multiplosDeLaLongitud3 :: Int -> Int -> Property
prop_multiplosDeLaLongitud3 n m =
  n > 0 && 0 < m && m < n
  ==>
  multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m == [m * ceiling (n' / m')]
  where n' = fromIntegral n
        m' = fromIntegral m 
  
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_multiplosDeLaLongitud3
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- Con las propiedades anteriores se puede redefinir multiplos
multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 :: Int -> Int -> [Int]
multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 n m
  | m < n     = [m * ceiling (n' / m')]
  | otherwise = [m]
  where n' = fromIntegral n
        m' = fromIntegral m 

-- Comprobación de la equivalencia
prop_equiv :: Int -> Int -> Property
prop_equiv n m =
  n > 0 && m > 0
  ==>
  multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos  n m ==
  multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 n m

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

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

--    λ> xs1 = [multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n (10^3) | n <- [1..10^4]]
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> xs2 = [multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 n (10^3) | n <- [1..10^4]]
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> maximum xs1
--    [10000]
--    (2.51 secs, 2,093,241,168 bytes)
--    λ> maximum xs2
--    [10000]
--    (0.02 secs, 16,742,408 bytes)

import Test.QuickCheck

multiplosDeLaLongitud :: [Int] -> [Int]

multiplosDeLaLongitud xs =

[x | x <- xs

, x `mod` n == 0]

where n = length xs

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos :: Int -> Int -> [Int]

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m =

multiplosDeLaLongitud [n..n+m-1]

-- La 1ª propiedad es

prop_multiplosDeLaLongitud :: Int -> Int -> Property

prop_multiplosDeLaLongitud n m =

n > 0 && m > 0

==>

length (multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m) == 1

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_multiplosDeLaLongitud

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- La 2ª propiedad es

prop_multiplosDeLaLongitud2 :: Int -> Int -> Property

prop_multiplosDeLaLongitud2 n m =

n > 0 && m >= n

==>

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m == [m]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_multiplosDeLaLongitud2

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- La 3ª propiedad es

prop_multiplosDeLaLongitud3 :: Int -> Int -> Property

prop_multiplosDeLaLongitud3 n m =

n > 0 && 0 < m && m < n

==>

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m == [m * ceiling (n' / m')]

where n' = fromIntegral n

m' = fromIntegral m

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_multiplosDeLaLongitud3

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Con las propiedades anteriores se puede redefinir multiplos

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 :: Int -> Int -> [Int]

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 n m

| m < n = [m * ceiling (n' / m')]

| otherwise = [m]

where n' = fromIntegral n

m' = fromIntegral m

-- Comprobación de la equivalencia

prop_equiv :: Int -> Int -> Property

prop_equiv n m =

n > 0 && m > 0

==>

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n m ==

multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 n m

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_multiplosDeLaLongitud

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> xs1 = [multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos n (10^3) | n <- [1..10^4]]

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> xs2 = [multiplosDeLaLongitudDeConsecutivos2 n (10^3) | n <- [1..10^4]]

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> maximum xs1

-- [10000]

-- (2.51 secs, 2,093,241,168 bytes)

-- λ> maximum xs2

-- [10000]

-- (0.02 secs, 16,742,408 bytes)

Referencia

Set of successive numbers contains unique multiple en ProofWiki.

Pensamiento

Pensando que no veía
porque Dios no le miraba,
dijo Abel cuando moría:
Se acabó lo que se daba.

Antonio Machado

Las conjeturas de Catalan y de Pillai

PorJosé A. Alonso 15-enero-202022-enero-2020

La conjetura de Catalan, enunciada en 1844 por Eugène Charles Catalan y demostrada 2002 por Preda Mihăilescu1, afirma que

Las únicas dos potencias de números enteros consecutivos son 8 y 9 (que son respectivamente 2³ y 3²).

En otras palabras, la única solución entera de la ecuación

   x^a - y^b = 1

1	x^a - y^b = 1

para x, a, y, b > 1 es x = 3, a = 2, y = 2, b = 3.

La conjetura de Pillai, propuesta por S.S. Pillai en 1942, generaliza este resultado y es un problema abierto. Afirma que cada entero se puede escribir sólo un número finito de veces como una diferencia de dos potencias perfectas. En otras palabras, para todo entero positivo n, el conjunto de soluciones de

   x^a - y^b = n

1	x^a - y^b = n

para x, a, y, b > 1 es finito.

Por ejemplo, para n = 4, hay 3 soluciones

   (2,3, 2,2) ya que 2³ -  2² =   8 -   4 = 4
   (6,2, 2,5) ya que 6² -  2⁵ =  36 -  32 = 4
   (5,3,11,2) ya que 5³ - 11² = 125 - 121 = 4

(2,3, 2,2) ya que 2³ - 2² = 8 - 4 = 4

(6,2, 2,5) ya que 6² - 2⁵ = 36 - 32 = 4

(5,3,11,2) ya que 5³ - 11² = 125 - 121 = 4

Las soluciones se pueden representar por la menor potencia (en el caso anterior, por 4, 32 y 121) ya que dado n (en el caso anterior es 4), la potencia mayor es la menor más n.

Definir las funciones

   potenciasPerfectas :: [Integer]
   solucionesPillati :: Integer -> [Integer]
   solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]

potenciasPerfectas :: [Integer]

solucionesPillati :: Integer -> [Integer]

solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]

tales que

potenciasPerfectas es la lista de las potencias perfectas (es decir, de los números de la forma x^a con x y a mayores que 1). Por ejemplo,

     take 10 potenciasPerfectas  ==  [4,8,9,16,25,27,32,36,49,64]
     potenciasPerfectas !! 200   ==  28224

1 2	take 10 potenciasPerfectas == [4,8,9,16,25,27,32,36,49,64] potenciasPerfectas !! 200 == 28224

(solucionesPillati n) es la lista de las menores potencias de las soluciones de la ecuación de Pillati x^a – y^b = n; es decir, es la lista de los u tales que u y u+n son potencias perfectas. Por ejemplo,

     take 3 (solucionesPillati 4)  ==  [4,32,121]
     take 2 (solucionesPillati 5)  ==  [4,27]
     take 4 (solucionesPillati 7)  ==  [9,25,121,32761]

take 3 (solucionesPillati 4) == [4,32,121]

take 2 (solucionesPillati 5) == [4,27]

take 4 (solucionesPillati 7) == [9,25,121,32761]

(solucionesPillatiAcotadas c n) es la lista de elementos de (solucionesPillati n) menores que n. Por ejemplo,

     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 1  ==  [8]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 2  ==  [25]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 3  ==  [125]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 4  ==  [4,32,121]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 5  ==  [4,27]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 6  ==  []
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 7  ==  [9,25,121]
     solucionesPillatiAcotadas (10^5) 7  ==  [9,25,121,32761]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 1 == [8]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 2 == [25]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 3 == [125]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 4 == [4,32,121]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 5 == [4,27]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 6 == []

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 7 == [9,25,121]

solucionesPillatiAcotadas (10^5) 7 == [9,25,121,32761]

Soluciones

import Data.List (group)
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- Definiciones de potenciasPerfectas
-- ==================================

-- 1ª definición
-- -------------

potenciasPerfectas1 :: [Integer]
potenciasPerfectas1 = filter esPotenciaPerfecta [4..]

-- (esPotenciaPerfecta x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por
-- ejemplo, 
--    esPotenciaPerfecta 36  ==  True
--    esPotenciaPerfecta 72  ==  False
esPotenciaPerfecta :: Integer -> Bool
esPotenciaPerfecta = not . null. potenciasPerfectasDe 

-- (potenciasPerfectasDe x) es la lista de pares (a,b) tales que 
-- x = a^b. Por ejemplo,
--    potenciasPerfectasDe 64  ==  [(2,6),(4,3),(8,2)]
--    potenciasPerfectasDe 72  ==  []
potenciasPerfectasDe :: Integer -> [(Integer,Integer)]
potenciasPerfectasDe n = 
    [(m,k) | m <- takeWhile (\x -> x*x <= n) [2..]
           , k <- takeWhile (\x -> m^x <= n) [2..]
           , m^k == n]

-- 2ª definición
-- -------------

potenciasPerfectas2 :: [Integer]
potenciasPerfectas2 = [x | x <- [4..], esPotenciaPerfecta2 x]

-- (esPotenciaPerfecta2 x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por
-- ejemplo, 
--    esPotenciaPerfecta2 36  ==  True
--    esPotenciaPerfecta2 72  ==  False
esPotenciaPerfecta2 :: Integer -> Bool
esPotenciaPerfecta2 x = mcd (exponentes x) > 1

-- (exponentes x) es la lista de los exponentes de l factorización prima
-- de x. Por ejemplos,
--    exponentes 36  ==  [2,2]
--    exponentes 72  ==  [3,2]
exponentes :: Integer -> [Int]
exponentes x = [length ys | ys <- group (primeFactors x)] 

-- (mcd xs) es el máximo común divisor de la lista xs. Por ejemplo,
--    mcd [4,6,10]  ==  2
--    mcd [4,5,10]  ==  1
mcd :: [Int] -> Int
mcd = foldl1 gcd

-- 3ª definición
-- -------------

potenciasPerfectas3 :: [Integer]
potenciasPerfectas3 = mezclaTodas potencias

-- potencias es la lista las listas de potencias de todos los números
-- mayores que 1 con exponentes mayores que 1. Por ejemplo,
--    λ> map (take 3) (take 4 potencias)
--    [[4,8,16],[9,27,81],[16,64,256],[25,125,625]]
potencias :: [[Integer]]
potencias = [[n^k | k <- [2..]] | n <- [2..]]

-- (mezclaTodas xss) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las
-- listas ordenadas xss. Por ejemplo,
--    take 7 (mezclaTodas potencias)  ==  [4,8,9,16,25,27,32]
mezclaTodas :: Ord a => [[a]] -> [a]
mezclaTodas = foldr1 xmezcla
  where xmezcla (x:xs) ys = x : mezcla xs ys

-- (mezcla xs ys) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las
-- listas ordenadas xs e ys. Por ejemplo,
--    take 7 (mezcla [2,5..] [4,6..])  ==  [2,4,5,6,8,10,11]
mezcla :: Ord a => [a] -> [a] -> [a]
mezcla (x:xs) (y:ys) | x < y  = x : mezcla xs (y:ys)
                     | x == y = x : mezcla xs ys
                     | x > y  = y : mezcla (x:xs) ys

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

--    λ> potenciasPerfectas1 !! 200
--    28224
--    (7.24 secs, 9,245,991,160 bytes)
--    λ> potenciasPerfectas2 !! 200
--    28224
--    (0.30 secs, 814,597,152 bytes)
--    λ> potenciasPerfectas3 !! 200
--    28224
--    (0.01 secs, 7,061,120 bytes)

-- En lo que sigue se usa la 3ª definición
potenciasPerfectas :: [Integer]
potenciasPerfectas = potenciasPerfectas3

-- Definición de solucionesPillati
-- ===============================

solucionesPillati :: Integer -> [Integer]
solucionesPillati n =
  [x | x <- potenciasPerfectas
     , esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

-- Definición de solucionesPillatiAcotadas
-- =======================================

solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]
solucionesPillatiAcotadas c n =
  [x | x <- takeWhile (< (c-n)) potenciasPerfectas
     , esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

100

101

102

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112

113

114

115

import Data.List (group)

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- Definiciones de potenciasPerfectas

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

-- 1ª definición

-- -------------

potenciasPerfectas1 :: [Integer]

potenciasPerfectas1 = filter esPotenciaPerfecta [4..]

-- (esPotenciaPerfecta x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por

-- ejemplo,

-- esPotenciaPerfecta 36 == True

-- esPotenciaPerfecta 72 == False

esPotenciaPerfecta :: Integer -> Bool

esPotenciaPerfecta = not . null. potenciasPerfectasDe

-- (potenciasPerfectasDe x) es la lista de pares (a,b) tales que

-- x = a^b. Por ejemplo,

-- potenciasPerfectasDe 64 == [(2,6),(4,3),(8,2)]

-- potenciasPerfectasDe 72 == []

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

potenciasPerfectasDe n =

[(m,k) | m <- takeWhile (\x -> x*x <= n) [2..]

, k <- takeWhile (\x -> m^x <= n) [2..]

, m^k == n]

-- 2ª definición

-- -------------

potenciasPerfectas2 :: [Integer]

potenciasPerfectas2 = [x | x <- [4..], esPotenciaPerfecta2 x]

-- (esPotenciaPerfecta2 x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por

-- ejemplo,

-- esPotenciaPerfecta2 36 == True

-- esPotenciaPerfecta2 72 == False

esPotenciaPerfecta2 :: Integer -> Bool

esPotenciaPerfecta2 x = mcd (exponentes x) > 1

-- (exponentes x) es la lista de los exponentes de l factorización prima

-- de x. Por ejemplos,

-- exponentes 36 == [2,2]

-- exponentes 72 == [3,2]

exponentes :: Integer -> [Int]

exponentes x = [length ys | ys <- group (primeFactors x)]

-- (mcd xs) es el máximo común divisor de la lista xs. Por ejemplo,

-- mcd [4,6,10] == 2

-- mcd [4,5,10] == 1

mcd :: [Int] -> Int

mcd = foldl1 gcd

-- 3ª definición

-- -------------

potenciasPerfectas3 :: [Integer]

potenciasPerfectas3 = mezclaTodas potencias

-- potencias es la lista las listas de potencias de todos los números

-- mayores que 1 con exponentes mayores que 1. Por ejemplo,

-- λ> map (take 3) (take 4 potencias)

-- [[4,8,16],[9,27,81],[16,64,256],[25,125,625]]

potencias :: [[Integer]]

potencias = [[n^k | k <- [2..]] | n <- [2..]]

-- (mezclaTodas xss) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las

-- listas ordenadas xss. Por ejemplo,

-- take 7 (mezclaTodas potencias) == [4,8,9,16,25,27,32]

mezclaTodas :: Ord a => [[a]] -> [a]

mezclaTodas = foldr1 xmezcla

where xmezcla (x:xs) ys = x : mezcla xs ys

-- (mezcla xs ys) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las

-- listas ordenadas xs e ys. Por ejemplo,

-- take 7 (mezcla [2,5..] [4,6..]) == [2,4,5,6,8,10,11]

mezcla :: Ord a => [a] -> [a] -> [a]

mezcla (x:xs) (y:ys) | x < y = x : mezcla xs (y:ys)

| x == y = x : mezcla xs ys

| x > y = y : mezcla (x:xs) ys

-- Comparación de eficiencia

-- -------------------------

-- λ> potenciasPerfectas1 !! 200

-- 28224

-- (7.24 secs, 9,245,991,160 bytes)

-- λ> potenciasPerfectas2 !! 200

-- 28224

-- (0.30 secs, 814,597,152 bytes)

-- λ> potenciasPerfectas3 !! 200

-- 28224

-- (0.01 secs, 7,061,120 bytes)

-- En lo que sigue se usa la 3ª definición

potenciasPerfectas :: [Integer]

potenciasPerfectas = potenciasPerfectas3

-- Definición de solucionesPillati

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

solucionesPillati :: Integer -> [Integer]

solucionesPillati n =

[x | x <- potenciasPerfectas

, esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

-- Definición de solucionesPillatiAcotadas

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

solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]

solucionesPillatiAcotadas c n =

[x | x <- takeWhile (< (c-n)) potenciasPerfectas

, esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

Referencia

Catalan’s conjecture en Wikipedia.

Pensamiento

Y te enviaré mi canción:
«Se canta lo que se pierde»,
con un papagayo verde
que la diga en tu balcón.

Antonio Machado

Números de Munchausen

PorJosé A. Alonso 13-enero-202020-enero-2020

Un número de Munchausen es un número entero positivo tal que es igual a la suma de sus dígitos elevados a sí mismo. Por ejemplo, 3435 es un número de Munchausen ya que

   3³ + 4⁴ + 3³ + 5⁵ = 27 + 256 + 27 + 3125 = 3435

1	3³ + 4⁴ + 3³ + 5⁵ = 27 + 256 + 27 + 3125 = 3435

Definir la función

   esMunchausen :: Integer -> Bool

1	esMunchausen :: Integer -> Bool

tal que (esMunchausen n) se verifica si n es un número de Munchausen. Por ejemplo,

   esMunchausen 3435  ==  True
   esMunchausen 2020  ==  False

1 2	esMunchausen 3435 == True esMunchausen 2020 == False

Comprobar con QuickCheck que que los únicos números de Munchausen son 1 y 3435.

Nota 1: No usar la propiedad en la definición.

Nota 2: El ejercicio está basado en el artículo ¿Por qué 3435 es uno de mis números favoritos? de Miguel Ángel Morales en El Aleph.

Soluciones

import Test.QuickCheck

esMunchausen :: Integer -> Bool
esMunchausen n =
  n == sum [x^x | x <- digitos n]

-- (digitos n) es la lista de los dígitos de n. Por ejemplo,
--    digitos 3435  ==  [3,4,3,5]
digitos :: Integer -> [Integer]
digitos n = [read [c] | c <- show n]

-- La propiedad es
prop_Munchausen :: Integer -> Property
prop_Munchausen n =
  n > 0
  ==>
  esMunchausen n == elem n [1, 3435]

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

import Test.QuickCheck

esMunchausen :: Integer -> Bool

esMunchausen n =

n == sum [x^x | x <- digitos n]

-- (digitos n) es la lista de los dígitos de n. Por ejemplo,

-- digitos 3435 == [3,4,3,5]

digitos :: Integer -> [Integer]

digitos n = [read [c] | c <- show n]

-- La propiedad es

prop_Munchausen :: Integer -> Property

prop_Munchausen n =

n > 0

==>

esMunchausen n == elem n [1, 3435]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_Munchausen

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Escribiré en tu abanico:
te quiero para olvidarte,
para quererte te olvido.

Antonio Machado

Teorema de existencia de divisores

PorJosé A. Alonso 10-enero-20206-junio-2022

El teorema de existencia de divisores afirma que

En cualquier subconjunto de {1, 2, …, 2m} con al menos m+1 elementos existen números distintos a, b tales que a divide a b.

Un conjunto de números naturales xs es mayoritario si existe un m tal que la lista de xs es un subconjunto de {1,2,…,2m} con al menos m+1 elementos. Por ejemplo, {2,3,5,6} porque es un subconjunto de {1,2,…,6} con más de 3 elementos.

Definir las funciones

   divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)]
   esMayoritario :: [Integer] -> Bool

1 2	divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)] esMayoritario :: [Integer] -> Bool

tales que

(divisores xs) es la lista de pares de elementos distintos de (a,b) tales que a divide a b. Por ejemplo,

     divisoresMultiplos [2,3,5,6]  ==  [(2,6),(3,6)]
     divisoresMultiplos [2,3,5]    ==  []
     divisoresMultiplos [4..8]     ==  [(4,8)]

divisoresMultiplos [2,3,5,6] == [(2,6),(3,6)]

divisoresMultiplos [2,3,5] == []

divisoresMultiplos [4..8] == [(4,8)]

(esMayoritario xs) se verifica xs es mayoritario. Por ejemplo,

     esMayoritario [2,3,5,6]  ==  True
     esMayoritario [2,3,5]    ==  False

1 2	esMayoritario [2,3,5,6] == True esMayoritario [2,3,5] == False

Comprobar con QuickCheck el teorema de existencia de divisores; es decir, en cualquier conjunto mayoritario existen números distintos a, b tales que a divide a b. Para la comprobación se puede usar el siguiente generador de conjuntos mayoritarios

   mayoritario :: Gen [Integer]
   mayoritario = do
     m' <- arbitrary
     let m = 1 + abs m'
     xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)
     return xs'

mayoritario :: Gen [Integer]

mayoritario = do

m' <- arbitrary

let m = 1 + abs m'

xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)

return xs'

con lo que la propiedad que hay que comprobar con QuickCheck es

   teorema_de_existencia_de_divisores :: Property
   teorema_de_existencia_de_divisores =
     forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

teorema_de_existencia_de_divisores :: Property

teorema_de_existencia_de_divisores =

forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Test.QuickCheck

divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)]
divisoresMultiplos xs =
  [(x,y) | x <- xs
         , y <- xs
         , y /= x
         , y `mod` x == 0]

esMayoritario :: [Integer] -> Bool
esMayoritario xs =
  not (null xs) && length xs > ceiling (n / 2) 
  where n = fromIntegral (maximum xs)

-- Comprobación del teorema
-- ========================

-- La propiedad es
teorema_de_existencia_de_divisores :: Property
teorema_de_existencia_de_divisores =
  forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

-- mayoritario es un generador de conjuntos mayoritarios. Por ejemplo, 
--    λ> sample mayoritario
--    [1,2]
--    [2,5,7,8]
--    [1,2,8,10,14]
--    [3,8,11,12,13,15,18,19,22,23,25,26]
--    [1,3,4,6]
--    [3,6,9,11,12,14,17,19]
mayoritario :: Gen [Integer]
mayoritario = do
  m' <- arbitrary
  let m = 1 + abs m'
  xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)
  return xs'

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

import Data.List (genericLength)

import Test.QuickCheck

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

divisoresMultiplos xs =

[(x,y) | x <- xs

, y <- xs

, y /= x

, y `mod` x == 0]

esMayoritario :: [Integer] -> Bool

esMayoritario xs =

not (null xs) && length xs > ceiling (n / 2)

where n = fromIntegral (maximum xs)

-- Comprobación del teorema

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

-- La propiedad es

teorema_de_existencia_de_divisores :: Property

teorema_de_existencia_de_divisores =

forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

-- mayoritario es un generador de conjuntos mayoritarios. Por ejemplo,

-- λ> sample mayoritario

-- [1,2]

-- [2,5,7,8]

-- [1,2,8,10,14]

-- [3,8,11,12,13,15,18,19,22,23,25,26]

-- [1,3,4,6]

-- [3,6,9,11,12,14,17,19]

mayoritario :: Gen [Integer]

mayoritario = do

m' <- arbitrary

let m = 1 + abs m'

xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)

return xs'

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck teorema_de_existencia_de_divisores

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Guiomar, Guiomar,
mírame en ti castigado:
reo de haberte creado,
ya no te puedo olvidar.

Antonio Machado

Teorema de Hilbert-Waring

PorJosé A. Alonso 9-enero-202016-enero-2020

El problema de Waring, propuesto por Edward Waring consiste en déterminar si, para cada número entero k mayor que 1, existe un número n tal que todo entero positivo se puede escribir como una suma de k-potencias de números positivos con n sumandos como máximo.

La respuesta afirmativa al problema, aportada por David Hilbert, se conoce como el teorema de Hilbert-Waring. Su enunciado es

Para cada número entero k, con k ≥ 2, existe un entero positivo g(k) tal que todo entero positivo se puede expresar como una suma de a lo más g(k) k-ésimas potencias.

Definir las funciones

   descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]]
   orden :: Integer -> Integer -> Integer

1 2	descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]] orden :: Integer -> Integer -> Integer

tales que

(descomposiciones x k n) es la lista de descomposiciones de x como suma de n potencias con exponente k de números enteros positivos.

     descomposiciones 9   2 1  ==  [[9]]
     descomposiciones 9   3 1  ==  []
     descomposiciones 9   3 2  ==  [[1,8]]
     descomposiciones 9   4 9  ==  [[1,1,1,1,1,1,1,1,1]]
     descomposiciones 25  2 2  ==  [[9,16]]
     descomposiciones 133 2 3  ==  [[8,125]]
     descomposiciones 38  3 2  ==  [[1,1,36],[4,9,25]]

descomposiciones 9 2 1 == [[9]]

descomposiciones 9 3 1 == []

descomposiciones 9 3 2 == [[1,8]]

descomposiciones 9 4 9 == [[1,1,1,1,1,1,1,1,1]]

descomposiciones 25 2 2 == [[9,16]]

descomposiciones 133 2 3 == [[8,125]]

descomposiciones 38 3 2 == [[1,1,36],[4,9,25]]

(orden x k) es el menor número de sumandos necesario para expresar x como suma de k-ésimas potencias. Por ejemplo,

     orden 9  2  ==  1
     orden 9  3  ==  2
     orden 9  4  ==  9
     orden 10 2  ==  2
     orden 10 3  ==  3
     orden 10 4  ==  10
     [maximum [orden x k | x <- [1..1000]] | k <- [1..6]] == [1,4,9,19,37,73]

orden 9 2 == 1

orden 9 3 == 2

orden 9 4 == 9

orden 10 2 == 2

orden 10 3 == 3

orden 10 4 == 10

[maximum [orden x k | x <- [1..1000]] | k <- [1..6]] == [1,4,9,19,37,73]

Comprobar el teorema de Hilbert-Waring para k hasta 7; es decir, para todo número x positivo se verifica que

   orden x 2 <= 4   
   orden x 3 <= 9   
   orden x 4 <= 19  
   orden x 5 <= 37  
   orden x 6 <= 73  
   orden x 7 <= 143

orden x 2 <= 4

orden x 3 <= 9

orden x 4 <= 19

orden x 5 <= 37

orden x 6 <= 73

orden x 7 <= 143

y, en general,

   orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

1	orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

Soluciones

import Test.QuickCheck

descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]]
descomposiciones x k n =
  sumas x (takeWhile (<= x) (potencias k)) n

-- (potencias n) es la lista de las potencias de n
--    take 7 (potencias 2)  ==  [1,4,9,16,25,36,49]
--    take 7 (potencias 3)  ==  [1,8,27,64,125,216,343]
potencias :: Integer -> [Integer]
potencias n = map (^n) [1..]

-- (sumas n ys x) es la lista de las descomposiciones de x como
-- sumas de n sumandos de la lista creciente ys. Por ejemplo,
--    sumas 3 [1,2] 2  ==  [[1,2]]
--    sumas 4 [1,2] 2  ==  [[2,2]]
--    sumas 5 [1,2] 2  ==  []
--    sumas 5 [1,2] 3  ==  [[1,2,2]]
--    sumas 6 [1,2] 3  ==  [[2,2,2]]
--    sumas 6 [1,2,5] 2  ==  [[1,5]]
sumas :: Integer -> [Integer] -> Integer -> [[Integer]]
sumas _ [] _                   = []
sumas x ys 1     | x `elem` ys = [[x]]
                 | otherwise   = []
sumas x (y:ys) n | y > x       = []
                 | otherwise   = map (y:) (sumas (x-y) (y:ys) (n-1)) ++
                                 sumas x ys n

orden :: Integer -> Integer -> Integer
orden x k = head [n | n <- [1..]
                    , not (null (descomposiciones x k n))]

-- El teorema es                                 
teorema_Hilbert_Waring :: Integer -> Integer -> Property
teorema_Hilbert_Waring x k =
  x > 0 && k >= 2
  ==>
  orden x 2 <= 4   &&
  orden x 3 <= 9   &&
  orden x 4 <= 19  &&
  orden x 5 <= 37  &&
  orden x 6 <= 73  &&
  orden x 7 <= 143 &&
  orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

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

import Test.QuickCheck

descomposiciones :: Integer -> Integer -> Integer -> [[Integer]]

descomposiciones x k n =

sumas x (takeWhile (<= x) (potencias k)) n

-- (potencias n) es la lista de las potencias de n

-- take 7 (potencias 2) == [1,4,9,16,25,36,49]

-- take 7 (potencias 3) == [1,8,27,64,125,216,343]

potencias :: Integer -> [Integer]

potencias n = map (^n) [1..]

-- (sumas n ys x) es la lista de las descomposiciones de x como

-- sumas de n sumandos de la lista creciente ys. Por ejemplo,

-- sumas 3 [1,2] 2 == [[1,2]]

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

-- sumas 5 [1,2] 2 == []

-- sumas 5 [1,2] 3 == [[1,2,2]]

-- sumas 6 [1,2] 3 == [[2,2,2]]

-- sumas 6 [1,2,5] 2 == [[1,5]]

sumas :: Integer -> [Integer] -> Integer -> [[Integer]]

sumas _ [] _ = []

sumas x ys 1 | x `elem` ys = [[x]]

| otherwise = []

sumas x (y:ys) n | y > x = []

| otherwise = map (y:) (sumas (x-y) (y:ys) (n-1)) ++

sumas x ys n

orden :: Integer -> Integer -> Integer

orden x k = head [n | n <- [1..]

, not (null (descomposiciones x k n))]

-- El teorema es

teorema_Hilbert_Waring :: Integer -> Integer -> Property

teorema_Hilbert_Waring x k =

x > 0 && k >= 2

==>

orden x 2 <= 4 &&

orden x 3 <= 9 &&

orden x 4 <= 19 &&

orden x 5 <= 37 &&

orden x 6 <= 73 &&

orden x 7 <= 143 &&

orden x k <= 2^k + floor ((3/2)^k) - 2

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck teorema_Hilbert_Waring

-- +++ OK, passed 100 tests.

Referencia

Basado en Hilbert-Waring theorem de ProofWiki.

Pensamiento

¡Y en la tersa arena,
cerca de la mar,
tu carne rosa y morena,
súbitamente Guiomar!

Antonio Machado

Enteros como sumas de tres coprimos.

PorJosé A. Alonso 8-enero-202015-enero-2020

Dos números enteros son coprimos (o primos entre sí) si no tienen ningún factor primo en común. Por ejemplo, 4 y 15 son coprimos.

Una terna coprima es una terna (a,b,c) tal que

a y b son coprimos,
a y c son coprimos y
b y c son coprimos.

Por ejemplo, (3,4,5) es una terna coprima.

Definir la función

   sumas3coprimos :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]

1	sumas3coprimos :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]

tal que (sumas3coprimos n) es la lista de las ternas coprimas cuya suma es n. Por ejemplo,

   sumas3coprimos 10  ==  [(2,3,5)]
   sumas3coprimos 11  ==  []
   sumas3coprimos 12  ==  [(2,3,7),(3,4,5)]
   length (sumas3coprimos 4000)  ==  546146

sumas3coprimos 10 == [(2,3,5)]

sumas3coprimos 11 == []

sumas3coprimos 12 == [(2,3,7),(3,4,5)]

length (sumas3coprimos 4000) == 546146

Comprobar con QuickCheck que todo número entero mayor que 17 se puede escribir como suma de alguna terna coprima; es decir, para todo entero n, (sumas3coprimos2 (18 + abs n)) tiene algún elemento.

Soluciones

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

sumas3coprimos :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]
sumas3coprimos n =
  [(a,b,c) | a <- [2..n]
           , b <- [a+1..n]
           , c <- [b+1..n]
           , a + b + c == n
           , gcd a b == 1
           , gcd a c == 1
           , gcd b c == 1]

-- 2ª solución
-- ===========

sumas3coprimos2 :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]
sumas3coprimos2 n =
  [(a,b,c) | a <- [2..n `div` 3]
           , b <- [a+1..(n - a) `div` 2]
           , gcd a b == 1
           , let c = n - a - b  
           , gcd a c == 1
           , gcd b c == 1]

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

-- La propiedad de equivalencia es
prop_sumas3coprimos_equiv :: Integer -> Property
prop_sumas3coprimos_equiv n =
  n > 0 ==> sumas3coprimos n == sumas3coprimos2 n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sumas3coprimos_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.

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

--    λ> length (sumas3coprimos 400)
--    5345
--    (4.16 secs, 2,894,799,744 bytes)
--    λ> length (sumas3coprimos2 400)
--    5345
--    (0.06 secs, 16,565,136 bytes)

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

-- La propiedad
prop_sumas3coprimos :: Integer -> Bool
prop_sumas3coprimos n =
  not (null (sumas3coprimos2 (18 + abs n)))

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sumas3coprimos
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

sumas3coprimos :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]

sumas3coprimos n =

[(a,b,c) | a <- [2..n]

, b <- [a+1..n]

, c <- [b+1..n]

, a + b + c == n

, gcd a b == 1

, gcd a c == 1

, gcd b c == 1]

-- 2ª solución

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

sumas3coprimos2 :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]

sumas3coprimos2 n =

[(a,b,c) | a <- [2..n `div` 3]

, b <- [a+1..(n - a) `div` 2]

, gcd a b == 1

, let c = n - a - b

, gcd a c == 1

, gcd b c == 1]

-- Equivalencia de las definiciones

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

-- La propiedad de equivalencia es

prop_sumas3coprimos_equiv :: Integer -> Property

prop_sumas3coprimos_equiv n =

n > 0 ==> sumas3coprimos n == sumas3coprimos2 n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_sumas3coprimos_equiv

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> length (sumas3coprimos 400)

-- 5345

-- (4.16 secs, 2,894,799,744 bytes)

-- λ> length (sumas3coprimos2 400)

-- 5345

-- (0.06 secs, 16,565,136 bytes)

-- Propiedad

-- =========

-- La propiedad

prop_sumas3coprimos :: Integer -> Bool

prop_sumas3coprimos n =

not (null (sumas3coprimos2 (18 + abs n)))

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_sumas3coprimos

-- +++ OK, passed 100 tests.

Referencias

Basado en Integers as sum of three pairwise coprime integers de ProofWiki.

Pensamiento

Todo amor es fantasía;
él inventa el año, el día,
la hora y su melodía;
inventa el amante y, más
la amada. No prueba nada,
contra el amor, que la amada
no haya existido jamás.

Antonio Machado

La mayor potencia de dos no es divisor

PorJosé A. Alonso 7-enero-202014-enero-2020

Para cada número entero positivo n, se define el conjunto

   S(n) = {1, 2, 3, ..., n}

1	S(n) = {1, 2, 3, ..., n}

de los números desde el 1 hasta n.

Definir la función

   mayorPotenciaDeDosEnS :: Integer -> Integer

1	mayorPotenciaDeDosEnS :: Integer -> Integer

tal que (mayorPotenciaDeDosEnS n) es la mayor potencia de 2 en S(n). Por ejemplo,

   mayorPotenciaDeDosEnS 3  ==  2
   mayorPotenciaDeDosEnS 4  ==  4

1 2	mayorPotenciaDeDosEnS 3 == 2 mayorPotenciaDeDosEnS 4 == 4

Comprobar con QuickCheck que la mayor potencia de 2 en S(n) no divide a ningún otro elemento de S(n).

Soluciones

import Data.List (delete)
import Test.QuickCheck

mayorPotenciaDeDosEnS :: Integer -> Integer
mayorPotenciaDeDosEnS n =
  last (takeWhile (<=n) potenciasDeDos)

-- potenciasDeDos es la lista de las potencias de 2. Por ejemplo,
--    take 5 potenciasDeDos  ==  [1,2,4,8,16]
potenciasDeDos :: [Integer]
potenciasDeDos = iterate (*2) 1

-- La propiedad es
prop_mayorPotenciaDeDosEnS :: Integer -> Property
prop_mayorPotenciaDeDosEnS n =
  n > 0 ==> all (x `noDivide`) (delete x [1..n])
  where x = mayorPotenciaDeDosEnS n
        x `noDivide` y = y `mod` x /= 0

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

import Data.List (delete)

import Test.QuickCheck

mayorPotenciaDeDosEnS :: Integer -> Integer

mayorPotenciaDeDosEnS n =

last (takeWhile (<=n) potenciasDeDos)

-- potenciasDeDos es la lista de las potencias de 2. Por ejemplo,

-- take 5 potenciasDeDos == [1,2,4,8,16]

potenciasDeDos :: [Integer]

potenciasDeDos = iterate (*2) 1

-- La propiedad es

prop_mayorPotenciaDeDosEnS :: Integer -> Property

prop_mayorPotenciaDeDosEnS n =

n > 0 ==> all (x `noDivide`) (delete x [1..n])

where x = mayorPotenciaDeDosEnS n

x `noDivide` y = y `mod` x /= 0

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_mayorPotenciaDeDosEnS

-- +++ OK, passed 100 tests.

Referencia

Basado en Greatest power of two not divisor de ProofWiki.

Pensamiento

¡Sólo tu figura,
como una centella blanca,
en mi noche oscura.

Antonio Machado

Factorizaciones de 4n+1

PorJosé A. Alonso 6-enero-202013-enero-2020

Sea S el conjunto

   S = {1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33, 37, 41, 45, ...}

1	S = {1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33, 37, 41, 45, ...}

de los enteros positivos congruentes con 1 módulo 4; es decir,

   S = {4n+1 | n ∈ N}

1	S = {4n+1 \| n ∈ N}

Un elemento n de S es irreducible si sólo es divisible por dos elementos de S: 1 y n. Por ejemplo, 9 es irreducible; pero 45 no lo es (ya que es el proctos de 5 y 9 que son elementos de S).

Definir las funciones

   esIrreducible :: Integer -> Bool
   factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]
   conFactorizacionNoUnica :: [Integer]

esIrreducible :: Integer -> Bool

factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]

conFactorizacionNoUnica :: [Integer]

tales que

(esIrreducible n) se verifica si n es irreducible. Por ejemplo,

     esIrreducible 9   ==  True
     esIrreducible 45  ==  False

1 2	esIrreducible 9 == True esIrreducible 45 == False

(factorizaciones n) es la lista de conjuntos de elementos irreducibles de S cuyo producto es n. Por ejemplo,

     factorizaciones 9     ==  [[9]]
     factorizaciones 693   ==  [[9,77],[21,33]]
     factorizaciones 4389  ==  [[21,209],[33,133],[57,77]]
     factorizaciones 2205  ==  [[5,9,49],[5,21,21]]

factorizaciones 9 == [[9]]

factorizaciones 693 == [[9,77],[21,33]]

factorizaciones 4389 == [[21,209],[33,133],[57,77]]

factorizaciones 2205 == [[5,9,49],[5,21,21]]

conFactorizacionNoUnica es la lista de elementos de S cuya factorización no es única. Por ejemplo,

     λ> take 10 conFactorizacionNoUnica
     [441,693,1089,1197,1449,1617,1881,1953,2205,2277]

1 2	λ> take 10 conFactorizacionNoUnica [441,693,1089,1197,1449,1617,1881,1953,2205,2277]

Soluciones

esIrreducible :: Integer -> Bool
esIrreducible n = divisores n == [1,n]

-- (divisores n) es el conjunto de elementos de S que dividen a n. Por
-- ejemplo, 
--    divisores 9    ==  [9]
--    divisores 693  ==  [9,21,33,77,693]
divisores :: Integer -> [Integer]
divisores n = [x | x <- [1,5..n], n `mod` x == 0] 
  
factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]
factorizaciones 1 = [[1]]
factorizaciones n
  | esIrreducible n = [[n]]
  | otherwise       = [d:ds | d <- divisores n
                            , esIrreducible d
                            , ds@(e:_) <- factorizaciones (n `div` d)
                            , d <= e]

conFactorizacionNoUnica :: [Integer]
conFactorizacionNoUnica =
  [n | n <- [1,5..], length (factorizaciones n) > 1]

esIrreducible :: Integer -> Bool

esIrreducible n = divisores n == [1,n]

-- (divisores n) es el conjunto de elementos de S que dividen a n. Por

-- ejemplo,

-- divisores 9 == [9]

-- divisores 693 == [9,21,33,77,693]

divisores :: Integer -> [Integer]

divisores n = [x | x <- [1,5..n], n `mod` x == 0]

factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]

factorizaciones 1 = [[1]]

factorizaciones n

| esIrreducible n = [[n]]

| otherwise = [d:ds | d <- divisores n

, esIrreducible d

, ds@(e:_) <- factorizaciones (n `div` d)

, d <= e]

conFactorizacionNoUnica :: [Integer]

conFactorizacionNoUnica =

[n | n <- [1,5..], length (factorizaciones n) > 1]

Pensamiento

¡Qué bien los nombres ponía
quien puso Sierra Morena
a esta serranía!

Antonio Machado

Teorema de Liouville sobre listas CuCu

PorJosé A. Alonso 3-enero-202010-enero-2020

Una lista CuCu es una lista de números enteros positivos tales que la suma de sus Cubos es igual al Cuadrado de su suma. Por ejemplo, [1, 2, 3, 2, 4, 6] es una lista CuCu ya que

   1³ + 2³ + 3³ + 2³ + 4³ + 6³ = (1 + 2 + 3 + 2 + 4 + 6)²

1	1³ + 2³ + 3³ + 2³ + 4³ + 6³ = (1 + 2 + 3 + 2 + 4 + 6)²

La lista de Liouville correspondiente al número entero positivo n es la lista formada por el número de divisores de cada divisor de n. Por ejemplo, para el número 20 se tiene que sus divisores son

   1, 2, 4, 5, 10, 20

1	1, 2, 4, 5, 10, 20

puesto que el número de sus divisores es

El 1 tiene 1 divisor (el 1 solamente).
El 2 tiene 2 divisores (el 1 y el 2).
El 4 tiene 3 divisores (el 1, el 2 y el 4).
El 5 tiene 2 divisores (el 1 y el 5).
El 10 tiene 4 divisores (el 1, el 2, el 5 y el 10).
El 20 tiene 6 divisores (el 1, el 2, el 4, el 5, el 10 y el 20).

la lista de Liouville de 20 es [1, 2, 3, 2, 4, 6] que, como se comentó anteriormente, es una lista CuCu.

El teorema de Lioville afirma que todas las lista de Lioville son CuCu.

Definir las funciones

   esCuCu :: [Integer] -> Bool
   liouville :: Integer -> [Integer]

1 2	esCuCu :: [Integer] -> Bool liouville :: Integer -> [Integer]

tales que

(esCuCu xs) se verifica si la lista xs es CuCu; es decir, la suma de los cubos de sus elementos es igual al cuadrado de su suma. Por ejemplo,

     esCuCu [1,2,3]        ==  True
     esCuCu [1,2,3,2]      ==  False
     esCuCu [1,2,3,2,4,6]  ==  True

esCuCu [1,2,3] == True

esCuCu [1,2,3,2] == False

esCuCu [1,2,3,2,4,6] == True

(liouville n) es la lista de Lioville correspondiente al número n. Por ejemplo,

     liouville 20  ==  [1,2,3,2,4,6]
     liouville 60  ==  [1,2,2,3,2,4,4,6,4,6,8,12]
     length (liouville (product [1..25]))  ==  340032

liouville 20 == [1,2,3,2,4,6]

liouville 60 == [1,2,2,3,2,4,4,6,4,6,8,12]

length (liouville (product [1..25])) == 340032

Comprobar con QuickCheck

que para todo entero positivo n, (liouville (2^n)) es la lista [1,2,3,…,n+1] y
el teorema de Lioville; es decir, para todo entero positivo n, (liouville n) es una lista CuCu.

Nota: Este ejercicio está basado en Cómo generar conjuntos CuCu de Gaussianos.

Soluciones

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

esCuCu :: [Integer] -> Bool
esCuCu xs = sum (map (^3) xs) == (sum xs)^2

-- 1ª definición de liouville
-- ==========================

liouville :: Integer -> [Integer]
liouville n = map numeroDivisores (divisores n)

-- (divisores x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo, 
--   divisores 30  ==  [1,2,3,5,6,10,15,30]
divisores :: Integer -> [Integer]
divisores n = [x | x <- [1..n], n `mod` x == 0]

-- (numeroDivisores x) es el número de divisores de x. Por ejemplo, 
--    numeroDivisores 12  ==  6
--    numeroDivisores 25  ==  3
numeroDivisores :: Integer -> Integer
numeroDivisores n = genericLength (divisores n) 

  -- 2ª definición de liouville
-- ============================

liouville2 :: Integer -> [Integer]
liouville2 n = map numeroDivisores2 (divisores2 n)

-- Se usan las funciones
-- + divisores de "Conjunto de divisores" http://bit.ly/2OtbFIj
-- + numeroDivisores de "Número de divisores" http://bit.ly/2DgVh74

-- (divisores2 x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo, 
--   divisores2 30  ==  [1,2,3,5,6,10,15,30]
divisores2 :: Integer -> [Integer]
divisores2 = sort
           . map (product . concat)
           . sequence
           . map inits
           . group
           . primeFactors

-- (numeroDivisores2 x) es el número de divisores de x. Por ejemplo, 
--    numeroDivisores2 12  ==  6
--    numeroDivisores2 25  ==  3
numeroDivisores2 :: Integer -> Integer
numeroDivisores2 =
  product . map ((+1) . genericLength) . group . primeFactors

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

-- La comparación es
--    λ> length (liouville (product [1..11]))
--    540
--    (13.66 secs, 7,983,550,640 bytes)
--    λ> length (liouville2 (product [1..11]))
--    540
--    (0.01 secs, 1,255,328 bytes)

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

-- La propiedad es
prop_Liouville :: Integer -> Property
prop_Liouville n =
  n > 0 ==> liouville2 (2^n) == [1..n+1]

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

-- Teorema de Liouville
-- ====================

-- La propiedad es
teorema_Liouville :: Integer -> Property
teorema_Liouville n =
  n > 0 ==> esCuCu (liouville n)

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

import Data.List (genericLength, group, inits, sort)

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

import Test.QuickCheck

esCuCu :: [Integer] -> Bool

esCuCu xs = sum (map (^3) xs) == (sum xs)^2

-- 1ª definición de liouville

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

liouville :: Integer -> [Integer]

liouville n = map numeroDivisores (divisores n)

-- (divisores x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo,

-- divisores 30 == [1,2,3,5,6,10,15,30]

divisores :: Integer -> [Integer]

divisores n = [x | x <- [1..n], n `mod` x == 0]

-- (numeroDivisores x) es el número de divisores de x. Por ejemplo,

-- numeroDivisores 12 == 6

-- numeroDivisores 25 == 3

numeroDivisores :: Integer -> Integer

numeroDivisores n = genericLength (divisores n)

-- 2ª definición de liouville

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

liouville2 :: Integer -> [Integer]

liouville2 n = map numeroDivisores2 (divisores2 n)

-- Se usan las funciones

-- + divisores de "Conjunto de divisores" http://bit.ly/2OtbFIj

-- + numeroDivisores de "Número de divisores" http://bit.ly/2DgVh74

-- (divisores2 x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo,

-- divisores2 30 == [1,2,3,5,6,10,15,30]

divisores2 :: Integer -> [Integer]

divisores2 = sort

. map (product . concat)

. sequence

. map inits

. group

. primeFactors

-- (numeroDivisores2 x) es el número de divisores de x. Por ejemplo,

-- numeroDivisores2 12 == 6

-- numeroDivisores2 25 == 3

numeroDivisores2 :: Integer -> Integer

numeroDivisores2 =

product . map ((+1) . genericLength) . group . primeFactors

-- Comparación de eficiencia

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

-- La comparación es

-- λ> length (liouville (product [1..11]))

-- 540

-- (13.66 secs, 7,983,550,640 bytes)

-- λ> length (liouville2 (product [1..11]))

-- 540

-- (0.01 secs, 1,255,328 bytes)

-- Propiedad

-- =========

-- La propiedad es

prop_Liouville :: Integer -> Property

prop_Liouville n =

n > 0 ==> liouville2 (2^n) == [1..n+1]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_Liouville

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Teorema de Liouville

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

-- La propiedad es

teorema_Liouville :: Integer -> Property

teorema_Liouville n =

n > 0 ==> esCuCu (liouville n)

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck teorema_Liouville

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

¡Oh, tarde viva y quieta
que opuso al panta rhei su nada corre.

Antonio Machado

Meses: enero 2020

Teorema de la amistad

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Pensamiento

Elementos múltiplos de la longitud de la lista

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Números de Munchausen

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Teorema de existencia de divisores

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Teorema de Hilbert-Waring

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Pensamiento

Enteros como sumas de tres coprimos.

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La mayor potencia de dos no es divisor

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Pensamiento

Factorizaciones de 4n+1

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