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Día: 28 de julio de 2022

La sucesión de Thue-Morse

José A. Alonso, ,

La serie de Thue-Morse comienza con el término [0] y sus siguientes términos se construyen añadiéndole al anterior su complementario. Los primeros términos de la serie son

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

De esta forma se va formando una sucesión

   0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0,...

que se conoce como la sucesión de Thue-Morse.

Definir la sucesión

   sucThueMorse :: [Int]

cuyos elementos son los de la sucesión de Thue-Morse. Por ejemplo,

   λ> take 30 sucThueMorse
   [0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,0,1,1,0,1,0]
   λ> map (sucThueMorse4 !!) [1234567..1234596] 
   [1,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,0]
   λ> map (sucThueMorse4 !!) [4000000..4000030] 
   [1,0,0,1,0,1,1,0,0,1,1,0,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1,0,1,1]

Comprobar con QuickCheck que si s(n) representa el término n-ésimo de la sucesión de Thue-Morse, entonces

   s(2n)   = s(n)
   s(2n+1) = 1 - s(n)

Soluciones

import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
sucThueMorse1 :: [Int]
sucThueMorse1 = map termSucThueMorse1 [0..]
 
-- (termSucThueMorse1 n) es el n-ésimo término de la sucesión de
-- Thue-Morse. Por ejemplo, 
--    termSucThueMorse1 0  ==  0
--    termSucThueMorse1 1  ==  1
--    termSucThueMorse1 2  ==  1
--    termSucThueMorse1 3  ==  0
--    termSucThueMorse1 4  ==  1
termSucThueMorse1 :: Int -> Int
termSucThueMorse1 0 = 0
termSucThueMorse1 n = 
  (serieThueMorse !! k) !! n
  where k = 1 + floor (logBase 2 (fromIntegral n))
 
-- serieThueMorse es la lista cuyos elementos son los términos de la
-- serie de Thue-Morse. Por ejemplo, 
--    λ> take 4 serieThueMorse3
--    [[0],[0,1],[0,1,1,0],[0,1,1,0,1,0,0,1]]
serieThueMorse :: [[Int]]
serieThueMorse = iterate paso [0]
  where paso xs = xs ++ map (1-) xs
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
sucThueMorse2 :: [Int]
sucThueMorse2 = 
  0 : intercala (map (1-) sucThueMorse2) (tail sucThueMorse2)
 
-- (intercala xs ys) es la lista obtenida intercalando los elementos de
-- las listas infinitas xs e ys. Por ejemplo, 
--    take 10 (intercala [1,5..] [2,4..])  ==  [1,2,5,4,9,6,13,8,17,10]
intercala :: [a] -> [a] -> [a]
intercala (x:xs) ys = x : intercala ys xs 
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
sucThueMorse3 :: [Int]
sucThueMorse3 = 0 : 1 : aux (tail sucThueMorse3) 
  where aux (x : xs) = x : (1 - x) : aux xs
 
 
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
sucThueMorse4 :: [Int]
sucThueMorse4 = 0 : aux [1]
  where aux xs = xs ++ aux (xs ++ map (1-) xs) 
 
-- Comprobación de la propiedad
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_termSucThueMorse :: NonNegative Int -> Bool
prop_termSucThueMorse (NonNegative n) =
  sucThueMorse1 !! (2*n)   == sn &&
  sucThueMorse1 !! (2*n+1) == 1 - sn 
  where sn = sucThueMorse1 !! n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_termSucThueMorse
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- 5ª solución
-- ===========
 
sucThueMorse5 :: [Int]
sucThueMorse5 = map termSucThueMorse5 [0..]
 
-- (termSucThueMorse5 n) es el n-ésimo término de la sucesión de
-- Thue-Morse. Por ejemplo, 
--    termSucThueMorse5 0  ==  0
--    termSucThueMorse5 1  ==  1
--    termSucThueMorse5 2  ==  1
--    termSucThueMorse5 3  ==  0
--    termSucThueMorse5 4  ==  1
termSucThueMorse5 :: Int -> Int
termSucThueMorse5 0 = 0
termSucThueMorse5 n 
  | even n    = termSucThueMorse5 (n `div` 2)
  | otherwise = 1 - termSucThueMorse5 (n `div` 2)
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_sucThueMorse :: NonNegative Int -> Bool
prop_sucThueMorse (NonNegative n) =
  all (== sucThueMorse1 !! n)
      [sucThueMorse2 !! n,
       sucThueMorse3 !! n,
       sucThueMorse4 !! n,
       sucThueMorse5 !! n]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sucThueMorse
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> sucThueMorse1 !! (10^7)
--    0
--    (3.28 secs, 3,420,080,168 bytes)
--    λ> sucThueMorse2 !! (10^7)
--    0
--    (3.01 secs, 1,720,549,640 bytes)
--    λ> sucThueMorse3 !! (10^7)
--    0
--    (1.80 secs, 1,360,550,040 bytes)
--    λ> sucThueMorse4 !! (10^7)
--    0
--    (0.88 secs, 1,254,772,768 bytes)
--    λ> sucThueMorse5 !! (10^7)
--    0
--    (0.62 secs, 1,600,557,072 bytes)

El código se encuentra en GitHub.

Referencias

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