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Categoría: Avanzado

Menor no expresable como suma

Definir la función

   menorNoSuma :: [Integer] -> Integer

tal que (menorNoSuma xs) es el menor número que no se puede escribir como suma de un subconjunto de xs, donde se supone que xs es un conjunto de números enteros positivos. Por ejemplo,

   menorNoSuma [6,1,2]    ==  4
   menorNoSuma [1,2,3,9]  ==  7
   menorNoSuma [5]        ==  1
   menorNoSuma [1..20]    ==  211
   menorNoSuma [1..10^6]  ==  500000500001

Comprobar con QuickCheck que para todo n,

   menorNoSuma [1..n] == 1 + sum [1..n]

Soluciones

-- 1ª definición
-- =============
 
import Data.List (sort, subsequences)
import Test.QuickCheck
 
menorNoSuma1 :: [Integer] -> Integer
menorNoSuma1 xs =
  head [n | n <- [1..], n `notElem` sumas xs]
 
-- (sumas xs) es la lista de las sumas de los subconjuntos de xs. Por ejemplo,
--    sumas [1,2,6]  ==  [0,1,2,3,6,7,8,9]
--    sumas [6,1,2]  ==  [0,6,1,7,2,8,3,9]
sumas :: [Integer] -> [Integer]
sumas xs = map sum (subsequences xs)
 
-- 2ª definición
-- =============
 
menorNoSuma2 :: [Integer] -> Integer
menorNoSuma2  = menorNoSumaOrd . reverse . sort 
 
-- (menorNoSumaOrd xs) es el menor número que no se puede escribir como
-- suma de un subconjunto de xs, donde xs es una lista de números
-- naturales ordenada de mayor a menor. Por ejemplo,
--    menorNoSumaOrd [6,2,1]  ==  4
menorNoSumaOrd [] = 1
menorNoSumaOrd (x:xs) | x > y     = y
                      | otherwise = y+x
  where y = menorNoSumaOrd xs
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> menorNoSuma1 [1..20]
--    211
--    (20.40 secs, 28,268,746,320 bytes)
--    λ> menorNoSuma2 [1..20]
--    211
--    (0.01 secs, 0 bytes)
 
-- Propiedad
-- =========
 
-- La propiedad es
prop_menorNoSuma :: (Positive Integer) -> Bool
prop_menorNoSuma (Positive n) =
  menorNoSuma2 [1..n] == 1 + sum [1..n]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_menorNoSuma
--    +++ OK, passed 100 tests.

Otras soluciones

  • Se pueden escribir otras soluciones en los comentarios.
  • El código se debe escribir entre una línea con <pre lang="haskell"> y otra con </pre>

Cálculo de pi mediante los métodos de Gregory-Leibniz y de Beeler

La fórmula de Gregory-Leibniz para calcular pi es
Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_1
y la de Beeler es
Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_2

Definir las funciones

   aproximaPiGL     :: Int -> Double
   aproximaPiBeeler :: Int -> Double
   graficas         :: [Int] -> IO ()

tales que

  • (aproximaPiGL n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Gregory-Leibniz. Por ejemplo,
     aproximaPiGL 1       ==  4.0
     aproximaPiGL 2       ==  2.666666666666667
     aproximaPiGL 3       ==  3.466666666666667
     aproximaPiGL 10      ==  3.0418396189294032
     aproximaPiGL 100     ==  3.1315929035585537
     aproximaPiGL 1000    ==  3.140592653839794
     aproximaPiGL 10000   ==  3.1414926535900345
     aproximaPiGL 100000  ==  3.1415826535897198
  • (aproximaPiBeeler n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Beeler. Por ejemplo,
     aproximaPiBeeler 1   ==  2.0
     aproximaPiBeeler 2   ==  2.6666666666666665
     aproximaPiBeeler 3   ==  2.933333333333333
     aproximaPiBeeler 10  ==  3.140578169680337
     aproximaPiBeeler 60  ==  3.141592653589793
     pi                   ==  3.141592653589793
  • (graficas xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi, donde k toma los valores de la lista xs, con las fórmulas de Gregory-Leibniz y de Beeler. Por ejemplo, (graficas [1..25]) dibuja
    Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_3
    donde la línea morada corresponde a la aproximación de Gregory-Leibniz y la verde a la de Beeler.

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- Definiciones de aproximaPiGL
-- ============================
 
-- 1ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL :: Int -> Double
aproximaPiGL n = 4 * (sum . take n . sumaA . zipWith (/) [1,1..]) [1,3..]
  where sumaA (x:y:xs) = x:(-y):sumaA xs
 
-- 2ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL2 :: Int -> Double
aproximaPiGL2 n =
  4 * (sum (take n (zipWith (/) (cycle [1,-1]) [1,3..])))
 
-- 3ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL3 :: Int -> Double
aproximaPiGL3 n =
  4 * (sum . take n . zipWith (/) (cycle [1,-1])) [1,3..]
 
-- 4ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL4 :: Int -> Double
aproximaPiGL4 n = serieGL !! (n-1)
 
serieGL :: [Double]
serieGL = scanl1 (+) (zipWith (/) numeradores denominadores)
  where numeradores   = cycle [4,-4]
        denominadores = [1,3..]
 
-- Definición de aproximaPiBeeler
aproximaPiBeeler :: Int -> Double
aproximaPiBeeler n = 2 * aux (fromIntegral n) 1
  where
    aux :: Double -> Double -> Double 
    aux n k | n == k    = 1
            | otherwise = 1 + (k/(2*k+1)) * aux n (1+k)
 
-- Definición de graficas
graficas :: [Int] -> IO ()
graficas xs = 
    plotLists [Key Nothing]
             [[(k,aproximaPiGL k)     | k <- xs],
              [(k,aproximaPiBeeler k) | k <- xs]]

Otras soluciones

  • Se pueden escribir otras soluciones en los comentarios.
  • El código se debe escribir entre una línea con <pre lang="haskell"> y otra con </pre>

Números como sumas de primos consecutivos

En el artículo Integers as a sum of consecutive primes in 2,3,4,.. ways se presentan números que se pueden escribir como sumas de primos consecutivos de varias formas. Por ejemplo, el 41 se puede escribir de dos formas distintas

   41 =  2 +  3 +  5 + 7 + 11 + 13
   41 = 11 + 13 + 17

el 240 se puede escribir de tres formas

   240 =  17 +  19 + 23 + 29 + 31 + 37 + 41 + 43
   240 =  53 +  59 + 61 + 67
   240 = 113 + 127

y el 311 se puede escribir de 4 formas

   311 =  11 +  13 +  17 + 19 + 23 + 29 + 31 + 37 + 41 + 43 + 47
   311 =  31 +  37 +  41 + 43 + 47 + 53 + 59
   311 =  53 +  59 +  61 + 67 + 71
   311 = 101 + 103 + 107

Definir la función

   sumas :: Integer -> [[Integer]]

tal que (sumas x) es la lista de las formas de escribir x como suma de dos o más números primos consecutivos. Por ejemplo,

   ghci> sumas 41
   [[2,3,5,7,11,13],[11,13,17]]
   ghci> sumas 240
   [[17,19,23,29,31,37,41,43],[53,59,61,67],[113,127]]
   ghci> sumas 311
   [[11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47],[31,37,41,43,47,53,59],
    [53,59,61,67,71],[101,103,107]]
   ghci> maximum [length (sumas n) | n <- [1..600]]
   4

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)
 
sumas :: Integer -> [[Integer]]
sumas x = [ys | n <- takeWhile (< x) primes, 
                let ys = sumaDesde x n,
                not (null ys)]
 
-- (sumaDesde x n) es la lista de al menos dos números primos
-- consecutivos a partir del número primo n cuya suma es x, si existen y
-- la lista vacía en caso contrario. Por ejemplo,
--    sumaDesde 15 3  ==  [3,5,7]
--    sumaDesde  7 3  ==  []
sumaDesde :: Integer -> Integer -> [Integer]
sumaDesde x n | x == y    = take (1 + length us) ys
              | otherwise = []
    where ys       = dropWhile (<n) primes
          (us,y:_) = span (<x) (scanl1 (+) ys)

Otras soluciones

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  • El código se debe escribir entre una línea con <pre lang="haskell"> y otra con </pre>

Pensamiento

“El desarrollo de las matemáticas hacia una mayor precisión ha llevado, como es bien sabido, a la formalización de grandes partes de las mismas, de modo que se puede probar cualquier teorema usando nada más que unas pocas reglas mecánicas.”

Kurt Gödel.

Suma de los elementos de las diagonales matrices espirales

Empezando con el número 1 y moviéndose en el sentido de las agujas del reloj se obtienen las matrices espirales

   |1 2|   |7 8 9|   | 7  8  9 10|   |21 22 23 24 25|
   |4 3|   |6 1 2|   | 6  1  2 11|   |20  7  8  9 10|
           |5 4 3|   | 5  4  3 12|   |19  6  1  2 11|
                     |16 15 14 13|   |18  5  4  3 12|
                                     |17 16 15 14 13|

La suma los elementos de sus diagonales es

+ en la 2x2: 1+3+2+4               =  10
+ en la 3x3: 1+3+5+7+9             =  25
+ en la 4x4: 1+2+3+4+7+10+13+16    =  56
+ en la 5x5: 1+3+5+7+9+13+17+21+25 = 101

Definir la función

   sumaDiagonales :: Integer -> Integer

tal que (sumaDiagonales n) es la suma de los elementos en las diagonales de la matriz espiral de orden nxn. Por ejemplo.

   sumaDiagonales 1         ==  1
   sumaDiagonales 2         ==  10
   sumaDiagonales 3         ==  25
   sumaDiagonales 4         ==  56
   sumaDiagonales 5         ==  101
   sumaDiagonales (10^6)    ==  666667166668000000
   sumaDiagonales (1+10^6)  ==  666669166671000001
 
   sumaDiagonales (10^2)  ==         671800
   sumaDiagonales (10^3)  ==        667168000
   sumaDiagonales (10^4)  ==       666716680000
   sumaDiagonales (10^5)  ==      666671666800000
   sumaDiagonales (10^6)  ==     666667166668000000
   sumaDiagonales (10^7)  ==    666666716666680000000
   sumaDiagonales (10^8)  ==   666666671666666800000000
   sumaDiagonales (10^9)  ==  666666667166666668000000000

Comprobar con QuickCheck que el último dígito de (sumaDiagonales n) es 0, 4 ó 6 si n es par y es 1, 5 ó 7 en caso contrario.

Soluciones

import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
sumaDiagonales :: Integer -> Integer
sumaDiagonales = sum . elementosEnDiagonales
 
-- (elementosEnDiagonales n) es la lista de los elementos en las
-- diagonales de la matriz espiral de orden nxn. Por ejemplo,
--    elementosEnDiagonales 1  ==  [1]
--    elementosEnDiagonales 2  ==  [1,2,3,4]
--    elementosEnDiagonales 3  ==  [1,3,5,7,9]
--    elementosEnDiagonales 4  ==  [1,2,3,4,7,10,13,16]
--    elementosEnDiagonales 5  ==  [1,3,5,7,9,13,17,21,25]
elementosEnDiagonales :: Integer -> [Integer]
elementosEnDiagonales n 
  | even n    = tail (scanl (+) 0 (concatMap (replicate 4) [1,3..n-1]))
  | otherwise = scanl (+) 1 (concatMap (replicate 4) [2,4..n-1])
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
sumaDiagonales2 :: Integer -> Integer
sumaDiagonales2 n
  | even n    = (-1) + n `div` 2 + sum [2*k^2-k+1 | k <- [0..n]]
  | otherwise = 1 + sum [4*k^2-6*k+6 | k <- [3,5..n]]
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
sumaDiagonales3 :: Integer -> Integer
sumaDiagonales3 n
  | even n    = n * (4*n^2 + 3*n + 8) `div` 6
  | otherwise = (4*n^3 + 3*n^2 + 8*n - 9) `div` 6
 
-- Equivalencia de las definiciones
-- ================================
 
-- La propiedad es
prop_sumaDiagonales_equiv :: (Positive Integer) -> Bool
prop_sumaDiagonales_equiv (Positive n) =
  all (== sumaDiagonales n) [ sumaDiagonales2 n 
                            , sumaDiagonales3 n]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sumaDiagonales_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> sumaDiagonales (2*10^6)
--    5333335333336000000
--    (2.30 secs, 1,521,955,848 bytes)
--    λ> sumaDiagonales2 (2*10^6)
--    5333335333336000000
--    (2.77 secs, 1,971,411,440 bytes)
--    λ> sumaDiagonales3 (2*10^6)
--    5333335333336000000
--    (0.01 secs, 139,520 bytes)
 
-- Propiedad
-- =========
 
-- La propiedad es
prop_sumaDiagonales :: (Positive Integer) -> Bool
prop_sumaDiagonales (Positive n) 
  | even n    = x `elem` [0,4,6] 
  | otherwise = x `elem` [1,5,7] 
  where x = sumaDiagonales n `mod` 10
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sumaDiagonales
--    +++ OK, passed 100 tests.

Otras soluciones

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Pensamiento

“Un matemático que no sea también algo de poeta nunca será un matemático perfecto.”

Karl Weierstrass.

Primos magnánimos

Un número magnánimo es un número tal que las sumas obtenidas insertando un “+” entre sus dígitos en cualquier posición son números primos. Por ejemplo, 4001 es un número magnánimo porque los números 4+001=5, 40+01=41 y 400+1=401 son primos.

Definir las funciones

   esMagnanimo :: Integer -> Bool
   primosMagnanimos :: [Integer]

tales que

  • (esMagnanimo n) se verifica si n es un número magnánimo. Por ejemplo,
     esMagnanimo 4001  ==  True
     esMagnanimo 2019  ==  False
  • primosMagnanimos es la lista de los números primos magnánimos. Por ejemplo,
     λ> take 20 primosMagnanimos
     [2,3,5,7,11,23,29,41,43,47,61,67,83,89,101,227,229,281,401,443]

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (isPrime, primes)
 
esMagnanimo :: Integer -> Bool
esMagnanimo n =
  all isPrime [x + y | (x, y) <- divisionesNumero n]
 
-- (divisionesNumero n) es la lista de las divisiones de n en dos
-- números. Por ejemplo,
--    divisionesNumero 1234  ==  [(1,234),(12,34),(123,4)]
--    divisionesNumero 234   ==  [(2,34),(23,4)]
--    divisionesNumero 34    ==  [(3,4)]
--    divisionesNumero 4     ==  []
divisionesNumero :: Integer -> [(Integer,Integer)]
divisionesNumero n =
  [(read xs, read ys) | (xs,ys) <- divisiones (show n)]
 
-- (divisiones xs) es la lista de las divisiones de xs en dos listas no
-- vacías. Por ejemplo,
--    divisiones "abcd"  ==  [("a","bcd"),("ab","cd"),("abc","d")]
--    divisiones "bcd"   ==  [("b","cd"),("bc","d")]
--    divisiones "cd"    ==  [("c","d")]
--    divisiones "d"     ==  []
--    divisiones ""      ==  []
divisiones :: [a] -> [([a],[a])]
divisiones []     = []
divisiones [_]    = []
divisiones (x:xs) = ([x],xs) : [(x:is,ds) | (is,ds) <- divisiones xs]
 
primosMagnanimos :: [Integer]
primosMagnanimos = filter esMagnanimo primes

Otras soluciones

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Pensamiento

“Existe una distinción entre lo que se puede llamar un problema y lo que puede considerar un ejercicio. Este último sirve para entrenar al en alguna técnica o procedimiento, y requiere poco o ningún original. A diferencia de un ejercicio, un problema, si es apropiado para nivel, debe requerir pensamiento por parte del estudiante. Es imposible exagerar la importancia de los problemas en las matemáticas. Es por medio de los problemas que las matemáticas se desarrollan y se levantan por sí mismas. Cada nuevo descubrimiento en matemáticas es el resultado de un intento de resolver algún problema.”

Howard Eves.