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Categoría: Avanzado

Medias de dígitos de pi

El fichero Digitos_de_pi.txt contiene el número pi con un millón de decimales; es decir,

   3.1415926535897932384626433832 ... 83996346460422090106105779458151

Definir las funciones

   mediasDigitosDePi        :: IO [Double]
   graficaMediasDigitosDePi :: Int -> IO ()

tales que

  • mediasDigitosDePi es la sucesión cuyo n-ésimo elemento es la media de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,
     λ> xs <- mediasDigitosDePi
     λ> take 5 xs
     [1.0,2.5,2.0,2.75,4.0]
     λ> take 10 xs
     [1.0,2.5,2.0,2.75,4.0,3.6666666666666665,4.0,4.125,4.0,4.1]
     λ> take 10 <$> mediasDigitosDePi
     [1.0,2.5,2.0,2.75,4.0,3.6666666666666665,4.0,4.125,4.0,4.1]
  • (graficaMediasDigitosDePi n) dibuja la gráfica de los n primeros términos de mediasDigitosDePi. Por ejemplo,
    • (graficaMediasDigitosDePi 20) dibuja
    • (graficaMediasDigitosDePi 200) dibuja
    • (graficaMediasDigitosDePi 2000) dibuja

Soluciones

import Data.Char (digitToInt)
import Data.List (genericLength, inits, tails)
import Graphics.Gnuplot.Simple ( Attribute (Key, PNG)
                               , plotList )
 
-- Definición de mediasDigitosDePi
-- ===============================
 
mediasDigitosDePi :: IO [Double]
mediasDigitosDePi = do
  (_:_:ds) <- readFile "Digitos_de_pi.txt"
  return (medias (digitos ds))
 
-- (digitos cs) es la lista de los digitos de cs. Por ejempplo,
--    digitos "1415926535"  ==  [1,4,1,5,9,2,6,5,3,5]
digitos :: String -> [Int]
digitos = map digitToInt
 
-- (medias xs) es la lista de las medias de los segmentos iniciales de
-- xs. Por ejemplo,
--    λ> medias [1,4,1,5,9,2,6,5,3,5]
--    [1.0,2.5,2.0,2.75,4.0,3.6666666666666665,4.0,4.125,4.0,4.1]
medias :: [Int] -> [Double]
medias xs = map media (tail (inits xs))
 
-- (media xs) es la media aritmética de xs. Por ejemplo,
--    media [1,4,1,5,9]  ==  4.0
media :: [Int] -> Double
media xs = fromIntegral (sum xs) / genericLength xs
 
-- Definición de graficaMediasDigitosDePi
-- ======================================
 
graficaMediasDigitosDePi :: Int -> IO ()
graficaMediasDigitosDePi n = do
  xs <- mediasDigitosDePi
  plotList [ Key Nothing
           , PNG ("Medias_de_digitos_de_pi_" ++ show n ++ ".png")
           ]
           (take n 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>

Pensamiento

Es el mejor de los buenos
quien sabe que en esta vida
todo es cuestión de medida:
un poco más, algo menos.

Antonio Machado

Cálculo de pi mediante la serie de Nilakantha

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 ()

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
  • (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]

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 |
+------+----------------+----------------+

al evaluar la expresión

     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 |
+------+----------------+----------------+

Soluciones

import Text.Printf
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
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..]]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 = aux 3 2 1
  where aux x _ _ 0 = x
        aux x y z m =
          aux (x+4/product[y..y+2]*z) (y+2) (negate z) (m-1)
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> aproximacionPi (2*10^5)
--    3.141592653589787
--    (0.82 secs, 145,964,728 bytes)
--    λ> aproximacionPi2 (2*10^5)
--    3.141592653589787
--    (2.27 secs, 432,463,496 bytes)
--    λ> aproximacionPi (3*10^5)
--    3.141592653589787
--    (0.34 secs, 73,056,488 bytes)
--    λ> aproximacionPi2 (3*10^5)
--    3.141592653589787
--    (3.24 secs, 648,603,824 bytes)
 
-- Definicioń de tabla
-- ===================
 
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"

Pandemia

¡El mundo está en cuarentena! Hay una nueva pandemia que lucha contra la humanidad. Cada continente está aislado de los demás, pero las personas infectadas se han propagado antes de la advertencia.

En este problema se representará el mundo por una cadena como la siguiente

   "01000000X000X011X0X"

donde 0 representa no infectado, 1 representa infectado y X representa un océano

Las reglas de propagación son:

  • El virus no puede propagarse al otro lado de un océano.
  • Si una persona se infecta, todas las personas de este continente se infectan también.
  • El primer y el último continente no están conectados.

El problema consiste en encontrar el porcentaje de la población humana que se infectó al final. Por ejemplo,

   inicio:     "01000000X000X011X0X"
   final:      "11111111X000X111X0X"
   total:      15
   infectados: 11
   porcentaje: 100*11/15 = 73.33333333333333

Definir la función

   porcentajeInfectados :: String -> Double

tal que (porcentajeInfectados xs) es el porcentaje final de infectados para el mapa inicial xs. Por ejemplo,

   porcentajeInfectados "01000000X000X011X0X"  == 73.33333333333333
   porcentajeInfectados "01X000X010X011XX"     == 72.72727272727273
   porcentajeInfectados "XXXXX"                == 0.0
   porcentajeInfectados "0000000010"           == 100.0
   porcentajeInfectados "X00X000000X10X0100"   == 42.857142857142854

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Data.List.Split (splitOn)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
porcentajeInfectados :: String -> Double
porcentajeInfectados xs
  | nh == 0   = 0
  | otherwise = 100 * ni / nh
  where ni = fromIntegral (numeroInfectados xs)
        nh = fromIntegral (numeroHabitantes xs)
 
-- (continentes xs) es la lista de las poblaciones de los continentes
-- del mapa xs. Por ejemplo,
--    continentes "01000000X000X011X0X" == ["01000000","000","011","0"]
--    continentes "01X000X010X011XX"    == ["01","000","010","011"]
--    continentes "XXXXX"               == [""]
--    continentes "0000000010"          == ["0000000010"]
--    continentes "X00X000000X10X0100"  == ["","00","000000","10","0100"]
continentes :: String -> [String]
continentes [] = []
continentes xs = as : continentes (dropWhile (=='X') bs)
  where (as,bs) = break (=='X') xs
 
-- (numeroInfectados xs) es el número final de infectados a partir del
-- mapa xs. Por ejemplo,
--    numeroInfectados "01000000X000X011X0X"  ==  11
numeroInfectados :: String -> Int
numeroInfectados xs =
  sum [length ys | ys <- continentes xs
                 , '1' `elem` ys]
 
-- (numeroHabitantes xs) es el número final de habitantes del mapa
-- xs. Por ejemplo, 
--    numeroHabitantes "01000000X000X011X0X"  ==  15
numeroHabitantes :: String -> Int
numeroHabitantes xs = length (filter (/='X') xs)
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
porcentajeInfectados2 :: String -> Double
porcentajeInfectados2 xs
  | nh == 0   = 0
  | otherwise = 100 * ni / nh
  where ni = sum [genericLength ys | ys <- splitOn "X" xs, '1' `elem` ys]
        nh = genericLength (filter (/='X') 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>

Pensamiento

“El avance de las matemáticas puede ser visto como un progreso de lo infinito a lo finito.”

Gian-Carlo Rota.

Producto de Kronecker

Si A es una matriz m \times n y B es una matriz p \times q, entonces el producto de Kronecker A \otimes B es la matriz bloque mp \times nq

Más explícitamente, tenemos

Por ejemplo,

Definir la función

   kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

tal que (kronecker a b) es el producto de Kronecker de las matrices a y b. Por ejemplo,

   λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,1]]) (fromLists [[0,3],[2,1]])
   ┌         ┐
   │ 0 3 0 6 │
   │ 2 1 4 2 │
   │ 0 9 0 3 │
   │ 6 3 2 1 │
   └         ┘
   λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,4]]) (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]])
   ┌             ┐
   │  2  1  4  2 │
   │ -1  0 -2  0 │
   │  3  2  6  4 │
   │  6  3  8  4 │
   │ -3  0 -4  0 │
   │  9  6 12  8 │
   └             ┘
   λ> kronecker (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]]) (fromLists [[1,2],[3,4]])
   ┌             ┐
   │  2  4  1  2 │
   │  6  8  3  4 │
   │ -1 -2  0  0 │
   │ -3 -4  0  0 │
   │  3  6  2  4 │
   │  9 12  6  8 │
   └             ┘

Soluciones

import Data.Matrix
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t
kronecker a b =
  matrix (m*p) (n*q) f
  where m = nrows a
        n = ncols a
        p = nrows b
        q = ncols b
        f (i,j) = a !(k+1,r+1) * b!(l+1,s+1)
          where (k,l) = quotRem (i-1) p
                (r,s) = quotRem (j-1) q
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
kronecker2 a b = bloqueFila a b (ncols a)
  where
    bloque (i,j) a b = scaleMatrix (a!(i,j)) b
    bloqueFila a b 1 = bloqueColumna 1 a b
    bloqueFila a b n = bloqueFila a b (n-1) <|> bloqueColumna n a b
    bloqueColumna j a b = aux a b (nrows a)
      where aux a b 1 = bloque (1,j) a b
            aux a b n = aux a b (n-1) <-> bloque (n,j) a b
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
kronecker3 :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t
kronecker3 a b =
  foldl1 (<->) [foldl1 (<|>) [scaleMatrix (a!(i,j)) b
                             | j <- [1..ncols b]]
                             | i <- [1..nrows a]]

Otras soluciones

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

Pensamiento

“La resolución de problemas es una habilidad práctica como, digamos, la natación. Adquirimos cualquier habilidad práctica por imitación y práctica. Tratando de nadar, imitas lo que otras personas hacen con sus manos y pies para mantener sus cabezas sobre el agua, y, finalmente, aprendes a nadar practicando la natación. Al intentar resolver problemas, hay que observar e imitar lo que hacen otras personas al resolver problemas y, finalmente, se aprende a resolver problemas haciéndolos.”

George Pólya.

Reducción de SAT a Clique

Nota: En este ejercicio se usa la misma notación que en los anteriores importando los módulos

+ Evaluacion_de_FNC
+ Modelos_de_FNC
+ Problema_SAT_para_FNC
+ Cliques
+ KCliques
+ Grafo_FNC

Definir las funciones

   cliquesFNC :: FNC -> [[(Int,Literal)]]
   cliquesCompletos :: FNC -> [[(Int,Literal)]]
   esSatisfaciblePorClique :: FNC -> Bool

tales que

  • (cliquesFNCf) es la lista de los cliques del grafo de f. Por ejemplo,
     λ> cliquesFNC [[1,-2,3],[-1,2],[-2,3]]
     [[], [(0,1)], [(1,2)], [(0,1),(1,2)], [(2,-2)],
      [(0,1),(2,-2)], [(2,3)], [(0,1),(2,3)], [(1,2),(2,3)],
      [(0,1),(1,2),(2,3)], [(0,-2)], [(2,-2),(0,-2)], [(2,3),(0,-2)],
      [(1,-1)], [(2,-2),(1,-1)], [(2,3),(1,-1)], [(0,-2),(1,-1)],
      [(2,-2),(0,-2),(1,-1)], [(2,3),(0,-2),(1,-1)], [(0,3)],
      [(1,2),(0,3)], [(2,-2),(0,3)], [(2,3),(0,3)],
      [(1,2),(2,3),(0,3)], [(1,-1),(0,3)],
      [(2,-2),(1,-1),(0,3)], [(2,3),(1,-1),(0,3)]]
  • (cliquesCompletos f) es la lista de los cliques del grafo de f que tiene tantos elementos como cláusulas tiene f. Por ejemplo,
     λ> cliquesCompletos [[1,-2,3],[-1,2],[-2,3]]
     [[(0,1),(1,2),(2,3)],   [(2,-2),(0,-2),(1,-1)],
      [(2,3),(0,-2),(1,-1)], [(1,2),(2,3),(0,3)],
      [(2,-2),(1,-1),(0,3)], [(2,3),(1,-1),(0,3)]]
     λ> cliquesCompletos [[1,2],[1,-2],[-1,2],[-1,-2]]
     []
  • (esSatisfaciblePorClique f) se verifica si f no contiene la cláusula vacía, tiene más de una cláusula y posee algún clique completo. Por ejemplo,
     λ> esSatisfaciblePorClique [[1,-2,3],[-1,2],[-2,3]]
     True
     λ> esSatisfaciblePorClique [[1,2],[1,-2],[-1,2],[-1,-2]]
     False

Comprobar con QuickCheck que toda fórmula en FNC es satisfacible si, y solo si, es satisfacible por Clique.

Soluciones

module Reduccion_de_SAT_a_Clique where
 
import Evaluacion_de_FNC
import Modelos_de_FNC
import Problema_SAT_para_FNC
import Cliques
import KCliques
import Grafo_FNC
import Data.List (nub, sort)
import Test.QuickCheck
 
cliquesFNC :: FNC -> [[(Int,Literal)]]
cliquesFNC f = cliques (grafoFNC f)
 
cliquesCompletos :: FNC -> [[(Int,Literal)]]
cliquesCompletos cs = kCliques (grafoFNC cs) (length cs)
 
esSatisfaciblePorClique :: FNC -> Bool
esSatisfaciblePorClique f =
     [] `notElem` f'
  && (length f' <= 1 || not (null (cliquesCompletos f')))
  where f' = nub (map (nub . sort) f) 
 
-- La propiedad es
prop_esSatisfaciblePorClique :: FNC -> Bool
prop_esSatisfaciblePorClique f =
  esSatisfacible f == esSatisfaciblePorClique f
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_esSatisfaciblePorClique
--    +++ 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>

Pensamiento

“La resolución de problemas es una habilidad práctica como, digamos, la natación. Adquirimos cualquier habilidad práctica por imitación y práctica. Tratando de nadar, imitas lo que otras personas hacen con sus manos y pies para mantener sus cabezas sobre el agua, y, finalmente, aprendes a nadar practicando la natación. Al intentar resolver problemas, hay que observar e imitar lo que hacen otras personas al resolver problemas y, finalmente, se aprende a resolver problemas haciéndolos.”

George Pólya.