mayo 2020 – Exercitium

Operaciones con series de potencias

PorJosé A. Alonso 29-mayo-202025-marzo-2022

Una serie de potencias es una serie de la forma

   a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + ...

1	a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + ...

Las series de potencias se pueden representar mediante listas infinitas. Por ejemplo, la serie de la función exponencial es

   e^x = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ...

1	e^x = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ...

y se puede representar por [1, 1, 1/2, 1/6, 1/24, 1/120, …]

Las operaciones con series se pueden ver como una generalización de las de los polinomios.

En lo que sigue, usaremos el tipo (Serie a) para representar las series de potencias con coeficientes en a y su definición es

   type Serie a = [a]

1	type Serie a = [a]

Definir las siguientes funciones

   opuesta      :: Num a => Serie a -> Serie a
   suma         :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   resta        :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   producto     :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   cociente     :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   derivada     :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a
   integral     :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a
   expx         :: Serie Rational

opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a

suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a

derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a

integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a

expx :: Serie Rational

tales que

(opuesta xs) es la opuesta de la serie xs. Por ejemplo,

     λ> take 7 (opuesta [-6,-4..])
     [6,4,2,0,-2,-4,-6]

1 2	λ> take 7 (opuesta [-6,-4..]) [6,4,2,0,-2,-4,-6]

(suma xs ys) es la suma de las series xs e ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (suma [1,3..] [2,4..])
     [3,7,11,15,19,23,27]

1 2	λ> take 7 (suma [1,3..] [2,4..]) [3,7,11,15,19,23,27]

(resta xs ys) es la resta de las series xs es ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (resta [3,5..] [2,4..])
     [1,1,1,1,1,1,1]
     λ> take 7 (resta ([3,7,11,15,19,23,27] ++ repeat 0) [1,3..])
     [2,4,6,8,10,12,14]

λ> take 7 (resta [3,5..] [2,4..])

[1,1,1,1,1,1,1]

λ> take 7 (resta ([3,7,11,15,19,23,27] ++ repeat 0) [1,3..])

[2,4,6,8,10,12,14]

(producto xs ys) es el producto de las series xs e ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (producto [3,5..] [2,4..])
     [6,22,52,100,170,266,392]

1 2	λ> take 7 (producto [3,5..] [2,4..]) [6,22,52,100,170,266,392]

(cociente xs ys) es el cociente de las series xs e ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (cociente ([6,22,52,100,170,266,392] ++ repeat 0) [3,5..])
     [2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

1 2	λ> take 7 (cociente ([6,22,52,100,170,266,392] ++ repeat 0) [3,5..]) [2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

(derivada xs) es la derivada de la serie xs. Por ejemplo,

     λ> take 7 (derivada [2,4..])
     [4,12,24,40,60,84,112]

1 2	λ> take 7 (derivada [2,4..]) [4,12,24,40,60,84,112]

(integral xs) es la integral de la serie xs. Por ejemplo,

     λ> take 7 (integral ([4,12,24,40,60,84,112] ++ repeat 0))
     [0.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

1 2	λ> take 7 (integral ([4,12,24,40,60,84,112] ++ repeat 0)) [0.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

expx es la serie de la función exponencial. Por ejemplo,

     λ> take 8 expx
     [1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]
     λ> take 8 (derivada expx)
     [1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]
     λ> take 8 (integral expx)
     [0 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

λ> take 8 expx

[1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

λ> take 8 (derivada expx)

[1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

λ> take 8 (integral expx)

[0 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

Soluciones

type Serie a = [a] 

opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a
opuesta = map negate

suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
suma = zipWith (+)

resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
resta xs ys = suma xs (opuesta ys)

producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
producto (x:xs) zs@(y:ys) = 
    x*y : suma (producto xs zs) (map (x*) ys)

cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a
cociente (x:xs) (y:ys) = zs 
    where zs = x/y : map (/y) (resta xs (producto zs ys))  

derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a
derivada (_:xs) = zipWith (*) xs [1..]

integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a
integral xs = 0 : zipWith (/) xs [1..]

expx :: Serie Rational
expx = map (1/) (map fromIntegral factoriales)

-- factoriales es la lista de los factoriales. Por ejemplo, 
--    take 7 factoriales  ==  [1,1,2,6,24,120,720]
factoriales :: [Integer]
factoriales = 1 : scanl1 (*) [1..]

type Serie a = [a]

opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a

opuesta = map negate

suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

suma = zipWith (+)

resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

resta xs ys = suma xs (opuesta ys)

producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

producto (x:xs) zs@(y:ys) =

x*y : suma (producto xs zs) (map (x*) ys)

cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a

cociente (x:xs) (y:ys) = zs

where zs = x/y : map (/y) (resta xs (producto zs ys))

derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a

derivada (_:xs) = zipWith (*) xs [1..]

integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a

integral xs = 0 : zipWith (/) xs [1..]

expx :: Serie Rational

expx = map (1/) (map fromIntegral factoriales)

-- factoriales es la lista de los factoriales. Por ejemplo,

-- take 7 factoriales == [1,1,2,6,24,120,720]

factoriales :: [Integer]

factoriales = 1 : scanl1 (*) [1..]

Caminos en un grafo

PorJosé A. Alonso 28-mayo-20204-junio-2020

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

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)

Sin ceros consecutivos

PorJosé A. Alonso 27-mayo-20203-junio-2020

Definir la función

   sinDobleCero :: Int -> [[Int]]

1	sinDobleCero :: Int -> [[Int]]

tal que (sinDobleCero n) es la lista de las listas de longitud n formadas por el 0 y el 1 tales que no contiene dos ceros consecutivos. Por ejemplo,

   ghci> sinDobleCero 2
   [[1,0],[1,1],[0,1]]
   ghci> sinDobleCero 3
   [[1,1,0],[1,1,1],[1,0,1],[0,1,0],[0,1,1]]
   ghci> sinDobleCero 4
   [[1,1,1,0],[1,1,1,1],[1,1,0,1],[1,0,1,0],[1,0,1,1],
    [0,1,1,0],[0,1,1,1],[0,1,0,1]]

ghci> sinDobleCero 2

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

ghci> sinDobleCero 3

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

ghci> sinDobleCero 4

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

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

Soluciones

sinDobleCero :: Int -> [[Int]]
sinDobleCero 0 = [[]]
sinDobleCero 1 = [[0],[1]]
sinDobleCero n = [1:xs | xs <- sinDobleCero (n-1)] ++
                 [0:1:ys | ys <- sinDobleCero (n-2)]

sinDobleCero :: Int -> [[Int]]

sinDobleCero 0 = [[]]

sinDobleCero 1 = [[0],[1]]

sinDobleCero n = [1:xs | xs <- sinDobleCero (n-1)] ++

[0:1:ys | ys <- sinDobleCero (n-2)]

Sucesión duplicadora

PorJosé A. Alonso 26-mayo-20202-junio-2020

Para cada entero positivo n, existe una única sucesión que empieza en 1, termina en n y en la que cada uno de sus elementos es el doble de su anterior o el doble más uno. Dicha sucesión se llama la sucesión duplicadora de n. Por ejemplo, la sucesión duplicadora de 13 es [1, 3, 6, 13], ya que

    3 = 2*1 +1
    6 = 2*3
   13 = 2*6 +1

3 = 2*1 +1

6 = 2*3

13 = 2*6 +1

Definir la función

   duplicadora :: Integer -> [Integer]

1	duplicadora :: Integer -> [Integer]

tal que (duplicadora n) es la sucesión duplicadora de n. Por ejemplo,

   duplicadora 13                   ==  [1,3,6,13]
   duplicadora 17                   ==  [1,2,4,8,17]
   length (duplicadora (10^40000))  ==  132878

duplicadora 13 == [1,3,6,13]

duplicadora 17 == [1,2,4,8,17]

length (duplicadora (10^40000)) == 132878

Soluciones

-- 1ª definición
duplicadora :: Integer -> [Integer]
duplicadora x =
  reverse (takeWhile (>=1) (iterate (`div` 2) x))

-- 2ª definición
duplicadora2 :: Integer -> [Integer]
duplicadora2  =
  reverse . takeWhile (>=1) . iterate (`div` 2)

-- 1ª definición

duplicadora :: Integer -> [Integer]

duplicadora x =

reverse (takeWhile (>=1) (iterate (`div` 2) x))

-- 2ª definición

duplicadora2 :: Integer -> [Integer]

duplicadora2 =

reverse . takeWhile (>=1) . iterate (`div` 2)

Cadenas de primos complementarios

PorJosé A. Alonso 25-mayo-20201-junio-2020

El complemento de un número positivo x se calcula por el siguiente procedimiento:

si x es mayor que 9, se toma cada dígito por su valor posicional y se resta del mayor los otro dígitos. Por ejemplo, el complemento de 1448 es 1000 – 400 – 40 – 8 = 552. Para
si x es menor que 10, su complemento es x.

Definir las funciones

   cadena    :: Integer -> [Integer]
   conCadena :: Int -> [Integer]

1 2	cadena :: Integer -> [Integer] conCadena :: Int -> [Integer]

tales que

(cadena x) es la cadena de primos a partir de x tal que cada uno es el complemento del anterior. Por ejemplo,

     cadena 8         == []
     cadena 7         == [7]
     cadena 13        == [13,7]
     cadena 643       == [643,557,443]
     cadena 18127     == [18127,1873,127,73,67,53,47]
     cadena 18181213  == [18181213,1818787,181213,18787,1213,787,613,587]

cadena 8 == []

cadena 7 == [7]

cadena 13 == [13,7]

cadena 643 == [643,557,443]

cadena 18127 == [18127,1873,127,73,67,53,47]

cadena 18181213 == [18181213,1818787,181213,18787,1213,787,613,587]

(conCadena n) es la lista de números cuyas cadenas tienen n elementos. Por ejemplo,

     take 6 (conCadena 3)                == [23,31,61,67,103,307]
     [head (conCadena n) | n <- [4..8]]  == [37,43,157,18127,181873]

1 2	take 6 (conCadena 3) == [23,31,61,67,103,307] [head (conCadena n) \| n <- [4..8]] == [37,43,157,18127,181873]

Soluciones

import Data.Numbers.Primes

-- (complemento x) es le complemento de x. Por ejemplo,
--    complemento 1448  == 552
--    complemento  639  == 561
--    complemento    7  == 7
complemento :: Integer -> Integer
complemento x = (div x c)*c - (rem x c)
  where c = 10^(length (show x) - 1)          

cadena :: Integer -> [Integer]
cadena x    
  | x < 10 && isPrime x = [x]
  | otherwise           = takeWhile isPrime (iterate f x)
  where f x | x < 10 && isPrime x = 0
            | otherwise           = complemento x

conCadena :: Int -> [Integer]
conCadena n =
  [y | y <- primes, length (cadena y) == n]

import Data.Numbers.Primes

-- (complemento x) es le complemento de x. Por ejemplo,

-- complemento 1448 == 552

-- complemento 639 == 561

-- complemento 7 == 7

complemento :: Integer -> Integer

complemento x = (div x c)*c - (rem x c)

where c = 10^(length (show x) - 1)

cadena :: Integer -> [Integer]

cadena x

| x < 10 && isPrime x = [x]

| otherwise = takeWhile isPrime (iterate f x)

where f x | x < 10 && isPrime x = 0

| otherwise = complemento x

conCadena :: Int -> [Integer]

conCadena n =

[y | y <- primes, length (cadena y) == n]

Meses: mayo 2020

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Soluciones

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