Avanzado

Generadores de números de Gabonacci

PorJosé A. Alonso 9-marzo-201720-marzo-2017

Los números de Gabonacci generados por (a,b) son los elementos de la sucesión de Gabonacci definida por

   G(0) = a
   G(1) = b
   G(n) = G(n-2) + G(n-1), si n > 1

G(0) = a

G(1) = b

G(n) = G(n-2) + G(n-1), si n > 1

Por ejemplo, la sucesión de Gabonacci generada por (2,5) es 2, 5, 7, 12, 19, 31, 50, 81, 131, 212, …

Un número pertenece a distintas sucesiones de Gabonacci. Por ejemplo, el 9 pertenece a las sucesiones de Gabonacci generados por (3,3), (1,4) y (4,5).

El menor generador de Gabonacci de un número x es el par (a,b), con 1 ≤ a ≤ b, tal que (a,b) es un generador de Gabonacci de x y no existe ningún generador de Gabonacci de x (a’,b’) tal que b’ < b ó b’ = b y a’ < a. Por ejemplo, el menor generador de Gabonacci de 9 es (3,3).

Definir la función

   menorGenerador :: Integer -> (Integer,Integer)

1	menorGenerador :: Integer -> (Integer,Integer)

tal que (menorGenerador x) es el menor generador de Gabonacci de x. Por ejemplo,

   menorGenerador 9          ==  (3,3)
   menorGenerador 7          ==  (1,3)
   menorGenerador 5          ==  (1,1)
   menorGenerador 27         ==  (3,7)
   menorGenerador 57         ==  (4,9)
   menorGenerador 218        ==  (10,21)
   menorGenerador 1121       ==  (20,41)
   menorGenerador 89         ==  (1,1)
   menorGenerador 123        ==  (1,3)
   menorGenerador 1000       ==  (2,10)
   menorGenerador 842831057  ==  (2,7)
   menorGenerador 1573655    ==  (985,1971)

menorGenerador 9 == (3,3)

menorGenerador 7 == (1,3)

menorGenerador 5 == (1,1)

menorGenerador 27 == (3,7)

menorGenerador 57 == (4,9)

menorGenerador 218 == (10,21)

menorGenerador 1121 == (20,41)

menorGenerador 89 == (1,1)

menorGenerador 123 == (1,3)

menorGenerador 1000 == (2,10)

menorGenerador 842831057 == (2,7)

menorGenerador 1573655 == (985,1971)

Soluciones

menorGenerador :: Integer -> (Integer,Integer)
menorGenerador = head . generadores

generadores :: Integer -> [(Integer,Integer)]
generadores x = [(a,b) | b <- [1..x]
                       , a <- [1..b]
                       , pertenece x (gabonacci a b)]

gabonacci :: Integer -> Integer -> [Integer]
gabonacci a b = aux
  where aux = a : scanl (+) b aux

pertenece :: Integer -> [Integer] -> Bool
pertenece x ys =
  x == head (dropWhile (<x) ys)

menorGenerador :: Integer -> (Integer,Integer)

menorGenerador = head . generadores

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

generadores x = [(a,b) | b <- [1..x]

, a <- [1..b]

, pertenece x (gabonacci a b)]

gabonacci :: Integer -> Integer -> [Integer]

gabonacci a b = aux

where aux = a : scanl (+) b aux

pertenece :: Integer -> [Integer] -> Bool

pertenece x ys =

x == head (dropWhile (<x) ys)

Números construibles como sumas de dos dados

PorJosé A. Alonso 3-marzo-201725-marzo-2022

Un número x es construible a partir de de los números enteros positivos a y b si se puede escribir como una suma cuyos sumandos son a o b. Por ejemplo, 7 y 9 son construibles a partir de 2 y 3 ya que 7 = 2+2+3 y 9 = 3+3+3.

Definir las funciones

   construibles  :: Integer -> Integer -> [Integer]
   esConstruible :: Integer -> Integer -> Integer -> Bool

1 2	construibles :: Integer -> Integer -> [Integer] esConstruible :: Integer -> Integer -> Integer -> Bool

tales que

(construibles a b) es la lista de los números construibles a partir de a y b. Por ejemplo,

     take 5 (construibles 2 9)  ==  [2,4,6,8,9]
     take 5 (construibles 6 4)  ==  [4,6,8,10,12]
     take 5 (construibles 9 7)  ==  [7,9,14,16,18]

take 5 (construibles 2 9) == [2,4,6,8,9]

take 5 (construibles 6 4) == [4,6,8,10,12]

take 5 (construibles 9 7) == [7,9,14,16,18]

(esConstruible a b x) se verifica si x es construible a partir de a y b. Por ejemplo,

     esConstruible 2 3 7   ==  True
     esConstruible 9 7 15  ==  False

1 2	esConstruible 2 3 7 == True esConstruible 9 7 15 == False

Soluciones

import Data.List (nub)

construibles :: Integer -> Integer -> [Integer]
construibles a b = tail aux
  where aux = 0 : mezcla [a + x | x <- aux]
                         [b + x | x <- aux]

mezcla :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]
mezcla p@(x:xs) q@(y:ys) | x < y     = x : mezcla xs q
                         | x > y     = y : mezcla p  ys  
                         | otherwise = x : mezcla xs ys
mezcla []       ys                   = ys
mezcla xs       []                   = xs
              
esConstruible :: Integer -> Integer -> Integer -> Bool
esConstruible a b x = x == y
  where (y:_) = dropWhile (<x) (construibles a b)

import Data.List (nub)

construibles :: Integer -> Integer -> [Integer]

construibles a b = tail aux

where aux = 0 : mezcla [a + x | x <- aux]

[b + x | x <- aux]

mezcla :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]

mezcla p@(x:xs) q@(y:ys) | x < y = x : mezcla xs q

| x > y = y : mezcla p ys

| otherwise = x : mezcla xs ys

mezcla [] ys = ys

mezcla xs [] = xs

esConstruible :: Integer -> Integer -> Integer -> Bool

esConstruible a b x = x == y

where (y:_) = dropWhile (<x) (construibles a b)

Cálculo de pi mediante la serie de Nilakantha

PorJosé A. Alonso 1-marzo-201726-marzo-2022

Una serie infinita para el cálculo de pi, publicada por Nilakantha en el siglo XV, es

Definir las funciones

   aproximacionPi :: Int -> Double
   tabla          :: FilePath -> [Int] -> IO ()

1 2	aproximacionPi :: Int -> Double tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()

tales que

(aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi obtenido sumando los n primeros términos de la serie de Nilakantha. Por ejemplo,

     aproximacionPi 0        ==  3.0
     aproximacionPi 1        ==  3.1666666666666665
     aproximacionPi 2        ==  3.1333333333333333
     aproximacionPi 3        ==  3.145238095238095
     aproximacionPi 4        ==  3.1396825396825396
     aproximacionPi 5        ==  3.1427128427128426
     aproximacionPi 10       ==  3.1414067184965018
     aproximacionPi 100      ==  3.1415924109719824
     aproximacionPi 1000     ==  3.141592653340544
     aproximacionPi 10000    ==  3.141592653589538
     aproximacionPi 100000   ==  3.1415926535897865
     aproximacionPi 1000000  ==  3.141592653589787
     pi                      ==  3.141592653589793

aproximacionPi 0 == 3.0

aproximacionPi 1 == 3.1666666666666665

aproximacionPi 2 == 3.1333333333333333

aproximacionPi 3 == 3.145238095238095

aproximacionPi 4 == 3.1396825396825396

aproximacionPi 5 == 3.1427128427128426

aproximacionPi 10 == 3.1414067184965018

aproximacionPi 100 == 3.1415924109719824

aproximacionPi 1000 == 3.141592653340544

aproximacionPi 10000 == 3.141592653589538

aproximacionPi 100000 == 3.1415926535897865

aproximacionPi 1000000 == 3.141592653589787

pi == 3.141592653589793

(tabla f ns) escribe en el fichero f las n-ésimas aproximaciones de pi, donde n toma los valores de la lista ns, junto con sus errores. Por ejemplo, al evaluar la expresión

     tabla "AproximacionesPi.txt" [0,10..100]

1	tabla "AproximacionesPi.txt" [0,10..100]

hace que el contenido del fichero «AproximacionesPi.txt» sea

+------+----------------+----------------+
| n    | Aproximación   | Error          |
+------+----------------+----------------+
|    0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |
|   10 | 3.141406718497 | 0.000185935093 |
|   20 | 3.141565734659 | 0.000026918931 |
|   30 | 3.141584272675 | 0.000008380915 |
|   40 | 3.141589028941 | 0.000003624649 |
|   50 | 3.141590769850 | 0.000001883740 |
|   60 | 3.141591552546 | 0.000001101044 |
|   70 | 3.141591955265 | 0.000000698325 |
|   80 | 3.141592183260 | 0.000000470330 |
|   90 | 3.141592321886 | 0.000000331704 |
|  100 | 3.141592410972 | 0.000000242618 |
+------+----------------+----------------+

+------+----------------+----------------+

| n | Aproximación | Error |

+------+----------------+----------------+

| 0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |

| 10 | 3.141406718497 | 0.000185935093 |

| 20 | 3.141565734659 | 0.000026918931 |

| 30 | 3.141584272675 | 0.000008380915 |

| 40 | 3.141589028941 | 0.000003624649 |

| 50 | 3.141590769850 | 0.000001883740 |

| 60 | 3.141591552546 | 0.000001101044 |

| 70 | 3.141591955265 | 0.000000698325 |

| 80 | 3.141592183260 | 0.000000470330 |

| 90 | 3.141592321886 | 0.000000331704 |

| 100 | 3.141592410972 | 0.000000242618 |

+------+----------------+----------------+

y al evaluar la expresión

     tabla "AproximacionesPi.txt" [0,500..5000]

1	tabla "AproximacionesPi.txt" [0,500..5000]

hace que el contenido del fichero «AproximacionesPi.txt» sea

+------+----------------+----------------+
| n    | Aproximación   | Error          |
+------+----------------+----------------+
|    0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |
|  500 | 3.141592651602 | 0.000000001988 |
| 1000 | 3.141592653341 | 0.000000000249 |
| 1500 | 3.141592653516 | 0.000000000074 |
| 2000 | 3.141592653559 | 0.000000000031 |
| 2500 | 3.141592653574 | 0.000000000016 |
| 3000 | 3.141592653581 | 0.000000000009 |
| 3500 | 3.141592653584 | 0.000000000006 |
| 4000 | 3.141592653586 | 0.000000000004 |
| 4500 | 3.141592653587 | 0.000000000003 |
| 5000 | 3.141592653588 | 0.000000000002 |
+------+----------------+----------------+

+------+----------------+----------------+

| n | Aproximación | Error |

+------+----------------+----------------+

| 0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |

| 500 | 3.141592651602 | 0.000000001988 |

| 1000 | 3.141592653341 | 0.000000000249 |

| 1500 | 3.141592653516 | 0.000000000074 |

| 2000 | 3.141592653559 | 0.000000000031 |

| 2500 | 3.141592653574 | 0.000000000016 |

| 3000 | 3.141592653581 | 0.000000000009 |

| 3500 | 3.141592653584 | 0.000000000006 |

| 4000 | 3.141592653586 | 0.000000000004 |

| 4500 | 3.141592653587 | 0.000000000003 |

| 5000 | 3.141592653588 | 0.000000000002 |

+------+----------------+----------------+

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Manuel Herrera.

Referencias

The discovery of the series formula for π by Leibniz, Gregory and Nilakantha por Ranjan Roy.

Soluciones

import Text.Printf

-- 1ª definición
-- =============

aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n = serieNilakantha !! n

serieNilakantha :: [Double]
serieNilakantha = scanl1 (+) terminosNilakantha

terminosNilakantha :: [Double]
terminosNilakantha = zipWith (/) numeradores denominadores
  where numeradores   = 3 : cycle [4,-4]
        denominadores = 1 : [n*(n+1)*(n+2) | n <- [2,4..]]

tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()
tabla f ns = do
  writeFile f (tablaAux ns)

tablaAux :: [Int] -> String
tablaAux ns =
     linea
  ++ cabecera
  ++ linea
  ++ concat [printf "| %4d | %.12f | %.12f |\n" n a e
            | n <- ns
            , let a = aproximacionPi n
            , let e = abs (pi - a)]
  ++ linea

linea :: String
linea = "+------+----------------+----------------+\n"

cabecera :: String
cabecera = "| n    | Aproximación   | Error          |\n"

import Text.Printf

-- 1ª definición

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

aproximacionPi :: Int -> Double

aproximacionPi n = serieNilakantha !! n

serieNilakantha :: [Double]

serieNilakantha = scanl1 (+) terminosNilakantha

terminosNilakantha :: [Double]

terminosNilakantha = zipWith (/) numeradores denominadores

where numeradores = 3 : cycle [4,-4]

denominadores = 1 : [n*(n+1)*(n+2) | n <- [2,4..]]

tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()

tabla f ns = do

writeFile f (tablaAux ns)

tablaAux :: [Int] -> String

tablaAux ns =

linea

++ cabecera

++ linea

++ concat [printf "| %4d | %.12f | %.12f |\n" n a e

| n <- ns

, let a = aproximacionPi n

, let e = abs (pi - a)]

++ linea

linea :: String

linea = "+------+----------------+----------------+\n"

cabecera :: String

cabecera = "| n | Aproximación | Error |\n"

Cálculo de pi mediante la fracción continua de Lange

PorJosé A. Alonso 22-febrero-201726-marzo-2022

En 1999, L.J. Lange publicó el artículo An elegant new continued fraction for π.

En el primer teorema del artículo se demuestra la siguiente expresión de π mediante una fracción continua
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange$

La primeras aproximaciones son

   a(1) = 3+1                = 4.0
   a(2) = 3+(1/(6+9))        = 3.066666666666667
   a(3) = 3+(1/(6+9/(6+25))) = 3.158974358974359

a(1) = 3+1 = 4.0

a(2) = 3+(1/(6+9)) = 3.066666666666667

a(3) = 3+(1/(6+9/(6+25))) = 3.158974358974359

Definir las funciones

   aproximacionPi :: Int -> Double
   grafica        :: [Int] -> IO ()

1 2	aproximacionPi :: Int -> Double grafica :: [Int] -> IO ()

tales que

(aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi con la fracción continua de Lange. Por ejemplo,

     aproximacionPi 1     ==  4.0
     aproximacionPi 2     ==  3.066666666666667
     aproximacionPi 3     ==  3.158974358974359
     aproximacionPi 10    ==  3.141287132741557
     aproximacionPi 100   ==  3.141592398533554
     aproximacionPi 1000  ==  3.1415926533392926

aproximacionPi 1 == 4.0

aproximacionPi 2 == 3.066666666666667

aproximacionPi 3 == 3.158974358974359

aproximacionPi 10 == 3.141287132741557

aproximacionPi 100 == 3.141592398533554

aproximacionPi 1000 == 3.1415926533392926

(grafica xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi donde k toma los valores de la lista xs. Por ejemplo, (grafica [1..10]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_2$
(grafica [10..100]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_3$
y (grafica [100..200]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_4$

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Antonio Morales.

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- fraccionPi es la representación de la fracción continua de pi como un
-- par de listas infinitas.
fraccionPi :: [(Integer, Integer)]
fraccionPi = zip (3 : [6,6..]) (map (^2) [1,3..])

-- (aproximacionFC n fc) es la n-ésima aproximación de la fracción
-- continua fc (como un par de listas).  
aproximacionFC :: Int -> [(Integer, Integer)] -> Double
aproximacionFC n =
  foldr (\(a,b) z -> fromIntegral a + fromIntegral b / z) 1 . take n

aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n =
  aproximacionFC n fraccionPi
 
grafica :: [Int] -> IO ()
grafica xs = 
    plotList [Key Nothing]
             [(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- fraccionPi es la representación de la fracción continua de pi como un

-- par de listas infinitas.

fraccionPi :: [(Integer, Integer)]

fraccionPi = zip (3 : [6,6..]) (map (^2) [1,3..])

-- (aproximacionFC n fc) es la n-ésima aproximación de la fracción

-- continua fc (como un par de listas).

aproximacionFC :: Int -> [(Integer, Integer)] -> Double

aproximacionFC n =

foldr (\(a,b) z -> fromIntegral a + fromIntegral b / z) 1 . take n

aproximacionPi :: Int -> Double

aproximacionPi n =

aproximacionFC n fraccionPi

grafica :: [Int] -> IO ()

grafica xs =

plotList [Key Nothing]

[(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

Máxima potencia que divide al factorial

PorJosé A. Alonso 26-enero-20172-febrero-2017

La máxima potencia de 2 que divide al factorial de 5 es 3, ya que 5! = 120, 120 es divisible por 2^3 y no lo es por 2^4.

Definir la función

   maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

1	maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

tal que (maxPotDivFact p n), para cada primo p, es el mayor k tal que p^k divide al factorial de n. Por ejemplo,

   maxPotDivFact 2 5       ==  3
   maxPotDivFact 3 6       ==  2
   maxPotDivFact 2 10      ==  8
   maxPotDivFact 3 10      ==  4
   maxPotDivFact 2 (10^2)  ==  97
   maxPotDivFact 2 (10^3)  ==  994
   maxPotDivFact 2 (10^4)  ==  9995
   maxPotDivFact 2 (10^5)  ==  99994
   maxPotDivFact 2 (10^6)  ==  999993
   maxPotDivFact 3 (10^5)  ==  49995
   maxPotDivFact 3 (10^6)  ==  499993
   maxPotDivFact 7 (10^5)  ==  16662
   maxPotDivFact 7 (10^6)  ==  166664
   length (show (maxPotDivFact 2 (10^20000)))  ==  20000

maxPotDivFact 2 5 == 3

maxPotDivFact 3 6 == 2

maxPotDivFact 2 10 == 8

maxPotDivFact 3 10 == 4

maxPotDivFact 2 (10^2) == 97

maxPotDivFact 2 (10^3) == 994

maxPotDivFact 2 (10^4) == 9995

maxPotDivFact 2 (10^5) == 99994

maxPotDivFact 2 (10^6) == 999993

maxPotDivFact 3 (10^5) == 49995

maxPotDivFact 3 (10^6) == 499993

maxPotDivFact 7 (10^5) == 16662

maxPotDivFact 7 (10^6) == 166664

length (show (maxPotDivFact 2 (10^20000))) == 20000

Soluciones

import Data.List (genericIndex, genericTake)
import Data.Numbers.Primes (primes)
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición
maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact p n =
  head [k | k <- [0..], f `mod` (p^k) /= 0] - 1
  where f = product [1..n]

-- 1ª definición
maxPotDivFact2 :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact2 p n
  | n < p     = 0
  | otherwise = m + maxPotDivFact2 p m
  where m = n `div` p  
  
-- 3ª definición
maxPotDivFact3 :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact3 p = sum . takeWhile (> 0) . tail . iterate (`div` p)

-- Comparación de eficiencia
--    λ> maxPotDivFact 2 (10^4)
--    9995
--    (5.47 secs, 161,040,624 bytes)
--    λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)
--    9995
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)
--    9995
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--
--    λ> length (show (maxPotDivFact2 2 (10^20000)))
--    20000
--    (1.93 secs, 592,168,544 bytes)
--    λ> length (show (maxPotDivFact3 2 (10^20000)))
--    20000
--    (2.93 secs, 861,791,504 bytes)

import Data.List (genericIndex, genericTake)

import Data.Numbers.Primes (primes)

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición

maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact p n =

head [k | k <- [0..], f `mod` (p^k) /= 0] - 1

where f = product [1..n]

-- 1ª definición

maxPotDivFact2 :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact2 p n

| n < p = 0

| otherwise = m + maxPotDivFact2 p m

where m = n `div` p

-- 3ª definición

maxPotDivFact3 :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact3 p = sum . takeWhile (> 0) . tail . iterate (`div` p)

-- Comparación de eficiencia

-- λ> maxPotDivFact 2 (10^4)

-- 9995

-- (5.47 secs, 161,040,624 bytes)

-- λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)

-- 9995

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)

-- 9995

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> length (show (maxPotDivFact2 2 (10^20000)))

-- 20000

-- (1.93 secs, 592,168,544 bytes)

-- λ> length (show (maxPotDivFact3 2 (10^20000)))

-- 20000

-- (2.93 secs, 861,791,504 bytes)

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