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Categoría: Medio

Números ordenados con cuadrados ordenados

José A. Alonso, ,

Un número es ordenado si cada uno de sus dígitos es menor o igual el siguiente dígito. Por ejemplo, 116 es un número creciente y su cuadrado es 13456, que también es ordenado. En cambio, 115 es ordenado pero su cuadrado es 13225 que no es ordenado.

Definir la lista

   numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados :: [Integer]

cuyos elementos son los números ordenados cuyos cuadrados también lo son. Por ejemplo,

   λ> take 20 numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados
   [0,1,2,3,4,5,6,7,12,13,15,16,17,34,35,37,38,67,116,117]
   λ> length (show (numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados !! (10^6)))
   1411
   λ> length (show (numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados !! (5*10^6)))
   3159

Soluciones

import Data.List
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados :: [Integer]
numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados =
  filter numeroOrdenadoConCuadradoOrdenado [0..]
 
-- (numeroOrdenadoConCuadradoOrdenado n) se verifica si n es un número
-- ordenado cuyo cuadrado también lo es. Por ejemplo,
--    numeroOrdenadoConCuadradoOrdenado 116  ==  True
--    numeroOrdenadoConCuadradoOrdenado 115  ==  False
numeroOrdenadoConCuadradoOrdenado :: Integer -> Bool
numeroOrdenadoConCuadradoOrdenado n =
  ordenado n && ordenado (n^2)
 
-- (ordenado n) se verifica si n es un número ordenado. Por ejemplo,
--    ordenado 115  ==  True
--    ordenado 151  ==  False
ordenado :: Integer -> Bool
ordenado n =
  and [x <= y | (x,y) <- zip xs (tail xs)]
  where xs = show n
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
-- Se basa en la observación de los sisuientes cálculos con la primera
-- solución
--    λ> take 30 numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados
--    [0,1,2,3,4,5,6,7,12,13,15,16,17,34,35,37,38,67,116,117,
--     167,334,335,337,367,667,1667,3334,3335,3337]
--    λ> take 21 (dropWhile (<= 117) numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados)
--    [167,334,335,337,367,667,
--     1667,3334,3335,3337,3367,3667,6667,
--     16667,33334,33335,33337,33367,33667,36667,66667]
--
-- Se observa que a partir del 167 todos los elementos son de 4 tipos
-- como se ve en la siguente tabla
--    |-------+--------+--------+--------+--------|
--    |       | Tipo A | Tipo B | Tipo C | Tipo D |
--    |-------+--------+--------+--------+--------|
--    |   167 | 16¹7   |        |        |        |
--    |   334 |        | 3²4    |        |        |
--    |   335 |        |        | 3²5    |        |
--    |   337 |        |        |        | 3²6⁰7  |
--    |   367 |        |        |        | 3¹6¹7  |
--    |   667 |        |        |        | 3⁰6²7  |
--    |  1667 | 16²7   |        |        |        |
--    |  3334 |        | 3³4    |        |        |
--    |  3335 |        |        | 3³5    |        |
--    |  3337 |        |        |        | 3³6⁰7  |
--    |  3367 |        |        |        | 3²6¹7  |
--    |  3667 |        |        |        | 3¹6²7  |
--    |  6667 |        |        |        | 3⁰6³7  |
--    | 16667 | 16³7   |        |        |        |
--    | 33334 |        | 3⁴4    |        |        |
--    | 33335 |        |        | 3⁴5    |        |
--    | 33337 |        |        |        | 3⁴6⁰7  |
--    | 33367 |        |        |        | 3³6¹7  |
--    | 33667 |        |        |        | 3²6²7  |
--    | 36667 |        |        |        | 3¹6³7  |
--    | 66667 |        |        |        | 3⁰6⁴7  |
--    |-------+--------+--------+--------+--------|
-- donde el exponente en cad dígito indica el número de repeticiones de
-- dicho dígito.
 
numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados2 :: [Integer]
numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados2 =
  [0,1,2,3,4,5,6,7,12,13,15,16,17,34,35,37,38,67,116,117] ++
  map read (concat [['1' : replicate n '6' ++ "7",
                     replicate (n+1) '3' ++ "4",
                     replicate (n+1) '3' ++ "5"] ++
                    [replicate a '3' ++ replicate b '6' ++ "7"
                    | b <- [0..n+1], let a = (n+1) - b]
                   | n <- [1..]])
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados !! 50
--    1666667
--    (2.35 secs, 2,173,983,096 bytes)
--    λ> numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados2 !! 50
--    1666667
--    (0.01 secs, 125,296 bytes)
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- La comprobación es
--    λ> take 50 numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados == take 50 numerosOrdenadosConCuadradosOrdenados2
--    True

Nuevas soluciones

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Cálculo de pi mediante la fórmula de Brouncker

José A. Alonso, ,

El mes de marzo es el mes de pi, ya que el 14 de marzo (3/14) es el día de pi. Con ese motivo, el pasado 3 de marzo se publicó en Twitter un mensaje con la fórmula de Brouncker para el cálculo de pi

La primeras aproximaciones son

     a(1) = 4                                  =  4
     a(2) = 4/(1+1^2)                          =  2.0
     a(3) = 4/(1+1^2/(2+3^2))                  =  3.666666666666667
     a(4) = 4/(1+1^2/(2+3^2/(2+5^2)))          =  2.8
     a(5) = 4/(1+1^2/(2+3^2/(2+5^2/(2+7^2))))  =  3.395238095238095

Definir las funciones

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

tales que

  • (aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi con la fórmula de Brouncker. Por ejemplo,
     aproximacionPi 1      ==  4.0
     aproximacionPi 2      ==  2.0
     aproximacionPi 3      ==  3.666666666666667
     aproximacionPi 4      ==  2.8
     aproximacionPi 5      ==  3.395238095238095
     aproximacionPi 10     ==  3.0301437124966535
     aproximacionPi 1000   ==  3.1405916523380406
     aproximacionPi 1001   ==  3.142592653839793
     aproximacionPi 10000  ==  3.141492643588543
     aproximacionPi 10001  ==  3.1416926535900433
     pi                    ==  3.141592653589793
  • (grafica xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi para k en xs. Por ejemplo, (grafica [10..100]) dibuja

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple (Attribute (Key, PNG), plotList)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi 1 = 4
aproximacionPi n = 4/(1 + 1/(aux 1 3))
  where aux a b | a == n-1  = 1
                | otherwise = 2 + (b^2)/(aux (a+1) (b+2))
 
-- El cálculo es
--    aproximacionPi 2
--      = 4/(1 + 1/(aux 1 3))
--      = 4/(1 + 1/1)
--      = 2.0
--
--    aproximacionPi 3
--      = 4/(1 + 1/(aux 1 3))
--      = 4/(1 + 1/(2 + 3^2/(aux 2 5))
--      = 4/(1 + 1/(2 + 3^2/1))
--      = 3.666666666666667
--
--    aproximacionPi 4
--      = 4/(1 + 1/(aux 1 3))
--      = 4/(1 + 1/(2 + 3^2/(aux 2 5))
--      = 4/(1 + 1/(2 + 3^2/(2 + 5^2/(aux 3 7))))
--      = 4/(1 + 1/(2 + 3^2/(2 + 5^2/1)))
--      = 2.8
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 n =
  aproximacionFC n fraccionPi
 
-- fraccionPi es la representación de la fracción continua de pi como un
-- par de listas infinitas.
fraccionPi :: [(Integer, Integer)]
fraccionPi = zip (0 : 1 : [2,2..]) (4 : 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
 
-- Gráfica
-- =======
 
grafica :: [Int] -> IO ()
grafica xs =
  plotList [ Key Nothing
           -- , PNG "Calculo_de_pi_mediante_la_formula_de_Brouncker_1.png"
           ]
           [(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

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Sucesión de Rowland

José A. Alonso, ,

Definir las siguientes sucesiones

   sucesionA       :: [Integer]
   sucesionB       :: [Integer]
   sucesionRowland :: [Integer]

tales que

  • el término n-ésimo de la sucesionA es a(n) definido por a(1) = 7 y a(n) = a(n-1) + mcd(n, a(n-1)), para n > 1. Por ejemplo,
     λ> take 20 sucesionA
     [7,8,9,10,15,18,19,20,21,22,33,36,37,38,39,40,41,42,43,44]
  • los términos de la sucesionB son las diferencias de los términos consecutivos de la sucesionA. Por ejemplo,
     λ> take 30 sucesionB
     [1,1,1,5,3,1,1,1,1,11,3,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,23,3,1,1,1,1,1,1,1]
  • los términos de la sucesionRowland son los términos de la sucesionB distintos de 1. Por ejemplo,\0
      λ> take 20 sucesionRowland
      [5,3,11,3,23,3,47,3,5,3,101,3,7,11,3,13,233,3,467,3]
      λ> sucesionRowland !! 92
      15567089

Comprobar con QuickCheck que los elementos de la sucesionRowland son números primos.

Nota: Eric S. Rowland demostró en A natural prime-generating recurrence que los elementos de la sucesionRowland son números primos.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (isPrime)
import Test.QuickCheck (Property, (==>), quickCheck)
 
sucesionA :: [Integer]
sucesionA =
   7 : zipWith (+) sucesionA (zipWith gcd sucesionA [2..])
 
sucesionB :: [Integer]
sucesionB = zipWith (-) (tail sucesionA) sucesionA
 
sucesionRowland :: [Integer]
sucesionRowland =  filter (> 1) sucesionB
 
-- La propiedad es
prop_sucesionRowland :: Int -> Property
prop_sucesionRowland n =
  n >= 0 ==> isPrime (sucesionRowland !! n)
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sucesionRowland
--    +++ OK, passed 100 tests.

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Siguiente equidigital

José A. Alonso, ,

Dos números son equidigitales si tienen el mismo multiconjunto de dígitos. Por ejemplo, 2021 y 2120 son equidigitales ya que ambos tiene a {0,1,2,2} como su multiconjunto de dígitos.

Definir la función

   siguienteEquidigital :: Integer -> Maybe Integer

tal que (siguienteEquidigital n) es precisamente el menor número equidigital con n que es mayor que n (es decir, (Just x) si x es dicho número o Nothing si no hay ningún número equidigital con n que sea mayor que n). Por ejemplo,

   siguienteEquidigital 12    ==  Just 21
   siguienteEquidigital 21    ==  Nothing
   siguienteEquidigital 513   ==  Just 531
   siguienteEquidigital 531   ==  Nothing
   siguienteEquidigital 2021  ==  Just 2102
   siguienteEquidigital 2102  ==  Just 2120
   siguienteEquidigital 2120  ==  Just 2201
   siguienteEquidigital 2201  ==  Just 2210
   siguienteEquidigital 2210  ==  Nothing
   fmap (`mod` 1000) (siguienteEquidigital (2^(10^5)))  ==  Just 637

Soluciones

import Data.List (sort)
import Data.Maybe (listToMaybe)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
siguienteEquidigital :: Integer -> Maybe Integer
siguienteEquidigital n
  | null xs = Nothing
  | otherwise = Just (head xs)
  where xs = equidigitalesMayores n
 
-- (equidigitalesMayores n) es la lista de los equidigitales mayores que
-- n. Por ejemplo,
--    equidigitalesMayores 2021  ==  [2102,2120,2201,2210]
--    equidigitalesMayores 2210  ==  []
equidigitalesMayores :: Integer -> [Integer]
equidigitalesMayores n =
  [x | x <- [n+1..mayorEquidigital n],
       sort (show x) == ds]
  where ds = sort (show n)
 
-- (mayorEquidigital n) es el mayor número equidigital con n. Por ejemplo,
--    mayorEquidigital 2021  ==  2210
--    mayorEquidigital 2210  ==  2210
mayorEquidigital :: Integer -> Integer
mayorEquidigital = read . reverse . sort . show
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
siguienteEquidigital2 :: Integer -> Maybe Integer
siguienteEquidigital2 = listToMaybe . equidigitalesMayores

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Mínima diferencia de las sumas de las biparticiones de las N primeras potencias de dos

José A. Alonso, ,

Se consideran las N primeras potencias de 2 (donde N es un número par). Por ejemplo, para N = 4, las potencias de 2 son 1, 2, 4 y 8. Las biparticiones de dichas potencias en dos conjuntos de igual tamaño son

   ([1,2],[4,8]), ([1,4],[2,8]), ([1,8],[2,4])

Las sumas de los elementos de las biparticiones son

   (3,12), (5,10), (9,6)

Los valores absolutos de las diferencias de dichas sumas son

   9, 5, 3

El mínimo de dichas diferencias es 3.

Definir la función

  minimaDiferencia :: Integer -> Integer

tal que (minimaDiferencia n) es la mínima diferencia de las sumas las biparticiones de las n (donde n es un número par) primeras potencias de dos conjuntos con igual número de elementos. Por ejemplo,

   minimaDiferencia 4  ==  3
   minimaDiferencia 6  ==  7
   minimaDiferencia (10^9) `mod` (10^9)  ==  787109375

Soluciones

import Test.QuickCheck
import Data.List ((\\))
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
minimaDiferencia :: Integer -> Integer
minimaDiferencia n =
  minimum [abs (sum xs - sum ys) | (xs,ys) <- particiones n]
 
-- (particiones n) es la lista de las particiones de las n (donde n es
-- un número par) de las n primeras potencias de 2 en dos conjuntos de
-- igual tamaño. Por ejemplo,
--   λ> particiones 4
--   [([1,2],[4,8]),([1,4],[2,8]),([1,8],[2,4]),
--    ([2,4],[1,8]),([2,8],[1,4]),([4,8],[1,2])]
particiones :: Integer -> [([Integer],[Integer])]
particiones n =
  [(as,xs \\ as) | as <- kSubconjuntos xs (n `div` 2)]
  where xs = [2^k | k <- [0..n-1]]
 
-- (kSubconjuntos xs k) es la lista de los subconjuntos de xs con k
-- elementos. Por ejemplo,
--    λ> kSubconjuntos "bcde" 2
--    ["bc","bd","be","cd","ce","de"]
--    λ> kSubconjuntos "bcde" 3
--    ["bcd","bce","bde","cde"]
--    λ> kSubconjuntos "abcde" 3
--    ["abc","abd","abe","acd","ace","ade","bcd","bce","bde","cde"]
kSubconjuntos :: [a] -> Integer -> [[a]]
kSubconjuntos _ 0      = [[]]
kSubconjuntos [] _     = []
kSubconjuntos (x:xs) k =
  [x:ys | ys <- kSubconjuntos xs (k-1)] ++ kSubconjuntos xs k
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
-- Nota: La suma de las primeras (n-1) potencias de 2 es
--    sum [2^i | i <- [0..n-2]] = 2^(n-1) - 1
-- que es menor que la n-ésima potencia de 2 (es decir, 2^(n-1) porque
-- se empieza a contar en 0). Por tanto, para que la diferencia de las
-- suma sea mínima hay que agrupar la última (2^(n-1) con las menores
-- (es decir, desde 0 hasta n/2-2).
 
minimaDiferencia2 :: Integer -> Integer
minimaDiferencia2 n =
  2^(n-1) + sum [2^i | i <- [0..n `div` 2 - 2]] -
  sum [2^i | i <- [n `div` 2 - 1.. n-2]]
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
-- Nota: Sea m = n/2 - 2. Entonces la suma de la mayor con las menores
-- es
--    s1 = 2^(n-1) + sum [2^i | i <- [0..m]]
--       = 2^(n-1) + (2^(m+1)-1)
-- y, puesto que la suma de las n primeras potencias es 2^n-1, la suma
-- de las restantes es
--    s2 = (2^n-1) - s1
 
minimaDiferencia3 :: Integer -> Integer
minimaDiferencia3 n = s1 - s2
  where m = n `div` 2 - 2
        s1 = 2^(n-1) + (2^(m+1)-1)
        s2 = (2^n-1) - s1
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
-- Nota: Con la notación de la solución anterior, la mínima diferencia es
--    s1 - s2
--    = s1 - ((2^n-1) - s1)
--    = 2*s1 - (2^n-1)
--    = 2*(2^(n-1) + (2^(m+1)-1)) - (2^n-1)
--    = 2^n + 2^(m+2) - 2 - 2^n + 1
--    = 2^(m+2) - 1
 
minimaDiferencia4 :: Integer -> Integer
minimaDiferencia4 n = 2^(m+2) - 1
  where m = n `div` 2 - 2
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> minimaDiferencia 22
--    2047
--    (7.75 secs, 6,597,330,816 bytes)
--    λ> minimaDiferencia2 22
--    2047
--    (0.00 secs, 126,344 bytes)
--    λ> minimaDiferencia3 22
--    2047
--    (0.01 secs, 107,192 bytes)
--    λ> minimaDiferencia4 22
--    2047
--    (0.01 secs, 102,544 bytes)
--
--    λ> minimaDiferencia2 (10^5) `mod` (10^50)
--    9602443968201967760613102289456131085235835109375
--    (8.18 secs, 2,915,200,064 bytes)
--    λ> minimaDiferencia3 (10^5) `mod` (10^50)
--    9602443968201967760613102289456131085235835109375
--    (0.01 secs, 293,640 bytes)
--    λ> minimaDiferencia4 (10^5) `mod` (10^50)
--    9602443968201967760613102289456131085235835109375
--    (0.03 secs, 167,176 bytes)
--
--    λ> minimaDiferencia3 (10^8) `mod` (10^50)
--    30521751870548886367615394702753936894129787109375
--    (2.08 secs, 149,075,824 bytes)
--    λ> minimaDiferencia4 (10^8) `mod` (10^50)
--    30521751870548886367615394702753936894129787109375
--    (0.41 secs, 24,929,696 bytes)
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- Como la primera sólo calcula hasta 22, se compara la primera con la
-- cuarta para dichos valores.
prop_equivalencia1 :: Bool
prop_equivalencia1 =
  and [minimaDiferencia n == minimaDiferencia4 n | n <- [0,2..22]]
 
-- La comprobación es
--    λ> prop_equivalencia1
--    True
 
-- La propiedad de la equivalencia de las definiciones 2, 3 y 4 es
prop_equivalencia :: Integer -> Bool
prop_equivalencia n =
  all (== (minimaDiferencia2 n'))
      [minimaDiferencia3 n',
       minimaDiferencia4 n']
  where n' = 2 + abs n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_equivalencia
--    +++ OK, passed 100 tests.

Nuevas soluciones

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