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Día: 22 diciembre, 2022

Árbol de profundidad n con nodos iguales

José A. Alonso, ,

El árbol binario

        9
       / \
      /   \
     3     7
    / \
   2   4

se puede representar por

   N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)

El tipo de los árboles binarios se puede definir por

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

Definir las funciones

   repeatArbol    :: a -> Arbol a
   replicateArbol :: Int -> a -> Arbol a

tales que

  • repeatArbol x es es árbol con infinitos nodos x. Por ejemplo,
     takeArbol 0 (repeatArbol 3) == H 3
     takeArbol 1 (repeatArbol 3) == N 3 (H 3) (H 3)
     takeArbol 2 (repeatArbol 3) == N 3 (N 3 (H 3) (H 3)) (N 3 (H 3) (H 3))
  • replicate n x es el árbol de profundidad n cuyos nodos son x. Por ejemplo,
     replicateArbol 0 5  ==  H 5
     replicateArbol 1 5  ==  N 5 (H 5) (H 5)
     replicateArbol 2 5  ==  N 5 (N 5 (H 5) (H 5)) (N 5 (H 5) (H 5))

Comprobar con QuickCheck que el número de hojas de replicateArbol n x es 2^n, para todo número natural n.
Soluciones

A continuación se muestran las soluciones en Haskell y las soluciones en Python.


Soluciones en Haskell

import Test.QuickCheck
 
data Arbol a = H a
             | N a (Arbol a) (Arbol a)
  deriving (Show, Eq)
 
repeatArbol :: a -> Arbol a
repeatArbol x = N x t t
  where t = repeatArbol x
 
replicateArbol :: Int -> a -> Arbol a
replicateArbol n = takeArbol n . repeatArbol
 
-- (takeArbol n t) es el subárbol de t de profundidad n. Por ejemplo,
--    takeArbol 0 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == H 9
--    takeArbol 1 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (H 3) (H 7)
--    takeArbol 2 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)
--    takeArbol 3 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)
takeArbol :: Int -> Arbol a -> Arbol a
takeArbol _ (H x)     = H x
takeArbol 0 (N x _ _) = H x
takeArbol n (N x i d) = N x (takeArbol (n-1) i) (takeArbol (n-1) d)
 
-- Generador para las comprobaciones
-- =================================
 
-- (arbolArbitrario n) es un árbol aleatorio de altura n. Por ejemplo,
--    λ> sample (arbolArbitrario 3 :: Gen (Arbol Int))
--    N 0 (H 0) (H 0)
--    N 1 (N (-2) (H (-1)) (H 1)) (H 2)
--    N 3 (H 1) (H 2)
--    N 6 (N 0 (H 5) (H (-5))) (N (-5) (H (-5)) (H 4))
--    H 7
--    N (-8) (H (-8)) (H 9)
--    H 2
--    N (-1) (H 7) (N 9 (H (-2)) (H (-8)))
--    H (-3)
--    N 0 (N 16 (H (-14)) (H (-18))) (H 7)
--    N (-16) (H 18) (N (-19) (H (-15)) (H (-18)))
arbolArbitrario :: Arbitrary a => Int -> Gen (Arbol a)
arbolArbitrario 0 = H <$> arbitrary
arbolArbitrario n =
  oneof [H <$> arbitrary,
         N <$> arbitrary <*> arbolArbitrario (div n 2) <*> arbolArbitrario (div n 2)]
 
-- Arbol es subclase de Arbitrary
instance Arbitrary a => Arbitrary (Arbol a) where
  arbitrary = sized arbolArbitrario
 
-- Función auxiliar para la comprobación
-- =====================================
 
-- (nHojas x) es el número de hojas del árbol x. Por ejemplo,
--    nHojas (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7))  ==  3
nHojas :: Arbol a -> Int
nHojas (H _)     = 1
nHojas (N _ i d) = nHojas i + nHojas d
 
-- Comprobación de la propiedad
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_replicateArbol :: Int -> Int -> Property
prop_replicateArbol n x =
  n >= 0 ==> nHojas (replicateArbol n x) == 2^n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_replicateArbol
--    +++ OK, passed 100 tests.


Soluciones en Python

from dataclasses import dataclass
from random import choice, randint
from typing import Generic, TypeVar
 
from hypothesis import given
from hypothesis import strategies as st
 
A = TypeVar("A")
 
@dataclass
class Arbol(Generic[A]):
    pass
 
@dataclass
class H(Arbol[A]):
    x: A
 
@dataclass
class N(Arbol[A]):
    x: A
    i: Arbol[A]
    d: Arbol[A]
 
def replicateArbol(n: int, x: A) -> Arbol[A]:
    match n:
        case 0:
            return H(x)
        case n:
            t = replicateArbol(n - 1, x)
            return N(x, t, t)
    assert False
 
# Generador para las comprobaciones
# =================================
 
# (arbolArbitrario n) es un árbol aleatorio de orden n. Por ejemplo,
#    >>> arbolArbitrario(4)
#    N(x=2, i=H(x=1), d=H(x=9))
#    >>> arbolArbitrario(4)
#    H(x=10)
#    >>> arbolArbitrario(4)
#    N(x=4, i=N(x=7, i=H(x=4), d=H(x=0)), d=H(x=6))
def arbolArbitrario(n: int) -> Arbol[int]:
    if n <= 1:
        return H(randint(0, 10))
    m = n // 2
    return choice([H(randint(0, 10)),
                   N(randint(0, 10),
                     arbolArbitrario(m),
                     arbolArbitrario(m))])
 
# Función auxiliar para la comprobación
# =====================================
 
# nHojas(x) es el número de hojas del árbol x. Por ejemplo,
#    nHojas(N(9, N(3, H(2), H(4)), H(7)))  ==  3
def nHojas(a: Arbol[A]) -> int:
    match a:
        case H(_):
            return 1
        case N(_, i, d):
            return nHojas(i) + nHojas(d)
    assert False
 
# Comprobación de la propiedad
# ============================
 
# La propiedad es
@given(st.integers(min_value=1, max_value=10),
       st.integers(min_value=1, max_value=10))
def test_nHojas(n: int, x: int) -> None:
    assert nHojas(replicateArbol(n, x)) == 2**n
 
# La comprobación es
#    src> poetry run pytest -q arbol_de_profundidad_n_con_nodos_iguales.py
#    1 passed in 0.20s
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