Medio

Regresión lineal

PorJosé A. Alonso 20-febrero-201726-marzo-2022

Dadas dos listas de valores

   xs = [x(1), x(2), ..., x(n)]
   ys = [y(1), y(2), ..., y(n)]

1 2	xs = [x(1), x(2), ..., x(n)] ys = [y(1), y(2), ..., y(n)]

la ecuación de la recta de regresión de ys sobre xs es y = a+bx, donde

   b = (nΣx(i)y(i) - Σx(i)Σy(i)) / (nΣx(i)² - (Σx(i))²)
   a = (Σy(i) - bΣx(i)) / n

1 2	b = (nΣx(i)y(i) - Σx(i)Σy(i)) / (nΣx(i)² - (Σx(i))²) a = (Σy(i) - bΣx(i)) / n

Definir la función

   regresionLineal :: [Double] -> [Double] -> (Double,Double)

1	regresionLineal :: [Double] -> [Double] -> (Double,Double)

tal que (regresionLineal xs ys) es el par (a,b) de los coeficientes de la recta de regresión de ys sobre xs. Por ejemplo, para los valores

   ejX, ejY :: [Double]
   ejX = [5,  7, 10, 12, 16, 20, 23, 27, 19, 14]
   ejY = [9, 11, 15, 16, 20, 24, 27, 29, 22, 20]

ejX, ejY :: [Double]

ejX = [5, 7, 10, 12, 16, 20, 23, 27, 19, 14]

ejY = [9, 11, 15, 16, 20, 24, 27, 29, 22, 20]

se tiene

   λ> regresionLineal ejX ejY
   (5.195045748716805,0.9218924347243919)

1 2	λ> regresionLineal ejX ejY (5.195045748716805,0.9218924347243919)

Para comprobar la definición, se importa la librería Graphics.Gnuplot.Simple y se define el procedimiento

   grafica :: [Double] -> [Double] -> IO ()
   grafica xs ys = 
       plotPathsStyle 
         [YRange (0,10+mY)] 
         [(defaultStyle {plotType = Points,
                         lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Datos",
                                                 PointType 2,
                                                 PointSize 2.5]},
                        zip xs ys),
          (defaultStyle {plotType = Lines,
                         lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Ajuste",
                                                 LineWidth 2]},
                        [(x,a+b*x) | x <- [0..mX]])]
       where (a,b) = regresionLineal xs ys                      
             mX    = maximum xs
             mY    = maximum ys

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

grafica xs ys =

plotPathsStyle

[YRange (0,10+mY)]

[(defaultStyle {plotType = Points,

lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Datos",

PointType 2,

PointSize 2.5]},

zip xs ys),

(defaultStyle {plotType = Lines,

lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Ajuste",

LineWidth 2]},

[(x,a+b*x) | x <- [0..mX]])]

where (a,b) = regresionLineal xs ys

mX = maximum xs

mY = maximum ys

tal que (grafica xs ys) pinta los puntos correspondientes a las listas de valores xs e ys y su recta de regresión. Por ejemplo, con (grafica ejX ejY) se obtiene el siguiente dibujo

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Graphics.Gnuplot.Simple

ejX, ejY :: [Double]
ejX = [5,  7, 10, 12, 16, 20, 23, 27, 19, 14]
ejY = [9, 11, 15, 16, 20, 24, 27, 29, 22, 20]

regresionLineal :: [Double] -> [Double] -> (Double,Double)
regresionLineal xs ys = (a,b)
    where n     = genericLength xs
          sumX  = sum xs
          sumY  = sum ys
          sumX2 = sum (zipWith (*) xs xs)
          sumY2 = sum (zipWith (*) ys ys)
          sumXY = sum (zipWith (*) xs ys)
          b     = (n*sumXY - sumX*sumY) / (n*sumX2 - sumX^2)
          a     = (sumY - b*sumX) / n

grafica :: [Double] -> [Double] -> IO ()
grafica xs ys = 
    plotPathsStyle 
      [YRange (0,10+mY)] 
      [(defaultStyle {plotType = Points,
                      lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Datos",
                                              PointType 2,
                                              PointSize 2.5]},
                     zip xs ys),
       (defaultStyle {plotType = Lines,
                      lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Ajuste",
                                              LineWidth 2]},
                     [(x,a+b*x) | x <- [0..mX]])]
    where (a,b) = regresionLineal xs ys                      
          mX    = maximum xs
          mY    = maximum ys

import Data.List (genericLength)

import Graphics.Gnuplot.Simple

ejX, ejY :: [Double]

ejX = [5, 7, 10, 12, 16, 20, 23, 27, 19, 14]

ejY = [9, 11, 15, 16, 20, 24, 27, 29, 22, 20]

regresionLineal :: [Double] -> [Double] -> (Double,Double)

regresionLineal xs ys = (a,b)

where n = genericLength xs

sumX = sum xs

sumY = sum ys

sumX2 = sum (zipWith (*) xs xs)

sumY2 = sum (zipWith (*) ys ys)

sumXY = sum (zipWith (*) xs ys)

b = (n*sumXY - sumX*sumY) / (n*sumX2 - sumX^2)

a = (sumY - b*sumX) / n

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

grafica xs ys =

plotPathsStyle

[YRange (0,10+mY)]

[(defaultStyle {plotType = Points,

lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Datos",

PointType 2,

PointSize 2.5]},

zip xs ys),

(defaultStyle {plotType = Lines,

lineSpec = CustomStyle [LineTitle "Ajuste",

LineWidth 2]},

[(x,a+b*x) | x <- [0..mX]])]

where (a,b) = regresionLineal xs ys

mX = maximum xs

mY = maximum ys

Sucesión de trazas de dígitos de pi

PorJosé A. Alonso 17-febrero-201724-febrero-2017

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

   3.1415926535897932384626433832 ... 83996346460422090106105779458151

1	3.1415926535897932384626433832 ... 83996346460422090106105779458151

Las matrices de orden 1×1, 2×2, …, 5×5 formadas por los primeros dígitos de pi son

   ( 3 )  ( 3 1 )  ( 3 1 4 )  ( 3 1 4 1 )  ( 3 1 4 1 5 )
          ( 4 1 )  ( 1 5 9 )  ( 5 9 2 6 )  ( 9 2 6 5 3 )
                   ( 2 6 5 )  ( 5 3 5 8 )  ( 5 8 9 7 9 )
                              ( 9 7 9 3 )  ( 3 2 3 8 4 )
                                           ( 6 2 6 4 3 )

( 3 ) ( 3 1 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 4 1 ) ( 3 1 4 1 5 )

( 4 1 ) ( 1 5 9 ) ( 5 9 2 6 ) ( 9 2 6 5 3 )

( 2 6 5 ) ( 5 3 5 8 ) ( 5 8 9 7 9 )

( 9 7 9 3 ) ( 3 2 3 8 4 )

( 6 2 6 4 3 )

y sus trazas (es decir, sumas de los elementos de la diagonal principal) son 3, 4, 13, 20 y 25, respectivamente.

Definir la función

   trazas :: Int -> IO [Int]

1	trazas :: Int -> IO [Int]

tal que (trazas n) es la lista de las trazas de las matrices de orden 1×1, 2×2, 3×3, …, nxn formadas por los primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

   λ> trazas 20
   [3,4,13,20,25,30,19,32,41,59,62,64,58,75,62,60,80,99,78,108]
   λ> ts <- trazas 1000
   λ> maximum ts
   4644
   λ> maximum <$> trazas 1000
   4644

λ> trazas 20

[3,4,13,20,25,30,19,32,41,59,62,64,58,75,62,60,80,99,78,108]

λ> ts <- trazas 1000

λ> maximum ts

4644

λ> maximum <$> trazas 1000

4644

Soluciones

import Data.Char (digitToInt)
import Data.Matrix (fromList, trace)

trazas :: Int -> IO [Int]
trazas n = do
  (d:_:ds) <- readFile "Digitos_de_pi.txt"
  let xs = map digitToInt (d:ds)
  return [trace (fromList k k xs) | k <- [1..n]]

import Data.Char (digitToInt)

import Data.Matrix (fromList, trace)

trazas :: Int -> IO [Int]

trazas n = do

(d:_:ds) <- readFile "Digitos_de_pi.txt"

let xs = map digitToInt (d:ds)

return [trace (fromList k k xs) | k <- [1..n]]

Distribución de dígitos de pi

PorJosé A. Alonso 16-febrero-201725-abril-2021

Se pueden generar los dígitos de Pi, como se explica en el artículo Unbounded spigot algorithms for the digits of pi, con la función digitosPi definida por

   digitosPi :: [Integer]
   digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where
     g (q,r,t,k,n,l) = 
       if 4*q+r-t < n*t
       then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)
       else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

digitosPi :: [Integer]

digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where

g (q,r,t,k,n,l) =

if 4*q+r-t < n*t

then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)

else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

Por ejemplo,

   λ> take 25 digitosPi
   [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3,8,4,6,2,6,4,3]

1 2	λ> take 25 digitosPi [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3,8,4,6,2,6,4,3]

La distribución de los primeros 25 dígitos de pi es [0,2,3,5,3,3,3,1,2,3] ya que el 0 no aparece, el 1 ocurre 2 veces, el 3 ocurre 3 veces, el 4 ocurre 5 veces, …

Usando digitosPi, definir las siguientes funciones

   distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
   frecuenciaDigitosPi   :: Int -> [Double]

1 2	distribucionDigitosPi :: Int -> [Int] frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]

tales que

(distribucionDigitosPi n) es la distribución de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

     λ> distribucionDigitosPi 10
     [0,2,1,2,1,2,1,0,0,1]
     λ> distribucionDigitosPi 100
     [8,8,12,12,10,8,9,8,12,13]
     λ> distribucionDigitosPi 1000
     [93,116,103,103,93,97,94,95,101,105]
     λ> distribucionDigitosPi 5000
     [466,531,496,460,508,525,513,488,492,521]

λ> distribucionDigitosPi 10

[0,2,1,2,1,2,1,0,0,1]

λ> distribucionDigitosPi 100

[8,8,12,12,10,8,9,8,12,13]

λ> distribucionDigitosPi 1000

[93,116,103,103,93,97,94,95,101,105]

λ> distribucionDigitosPi 5000

[466,531,496,460,508,525,513,488,492,521]

(frecuenciaDigitosPi n) es la frecuencia de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

   λ> frecuenciaDigitosPi 10
   [0.0,20.0,10.0,20.0,10.0,20.0,10.0,0.0,0.0,10.0]
   λ> frecuenciaDigitosPi 100
   [8.0,8.0,12.0,12.0,10.0,8.0,9.0,8.0,12.0,13.0]
   λ> frecuenciaDigitosPi 1000
   [9.3,11.6,10.3,10.3,9.3,9.7,9.4,9.5,10.1,10.5]
   λ> frecuenciaDigitosPi 5000
   [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

λ> frecuenciaDigitosPi 10

[0.0,20.0,10.0,20.0,10.0,20.0,10.0,0.0,0.0,10.0]

λ> frecuenciaDigitosPi 100

[8.0,8.0,12.0,12.0,10.0,8.0,9.0,8.0,12.0,13.0]

λ> frecuenciaDigitosPi 1000

[9.3,11.6,10.3,10.3,9.3,9.7,9.4,9.5,10.1,10.5]

λ> frecuenciaDigitosPi 5000

[9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

Soluciones

import Data.Array
import Data.List (group, sort)

digitosPi :: [Integer]
digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where
  g (q,r,t,k,n,l) = 
    if 4*q+r-t < n*t
    then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)
    else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

-- 1ª definición
-- =============

distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi n =
    elems (accumArray (+) 0 (0,9) [(i,1)
                                  | i <- take n digitosPi]) 

frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi n]
  where m = fromIntegral n

-- 2ª definición
-- =============

distribucionDigitosPi2 :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi2 n =
  [length xs - 1 | xs <- group (sort (take n digitosPi ++ [0..9]))]

frecuenciaDigitosPi2 :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi2 n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi2 n]
  where m = fromIntegral n

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> last (take 5000 digitosPi)
--    2
--    (4.47 secs, 3,927,848,448 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi2 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.02 secs, 0 bytes)

import Data.Array

import Data.List (group, sort)

digitosPi :: [Integer]

digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where

g (q,r,t,k,n,l) =

if 4*q+r-t < n*t

then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)

else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

-- 1ª definición

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

distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]

distribucionDigitosPi n =

elems (accumArray (+) 0 (0,9) [(i,1)

| i <- take n digitosPi])

frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]

frecuenciaDigitosPi n =

[100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi n]

where m = fromIntegral n

-- 2ª definición

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

distribucionDigitosPi2 :: Int -> [Int]

distribucionDigitosPi2 n =

[length xs - 1 | xs <- group (sort (take n digitosPi ++ [0..9]))]

frecuenciaDigitosPi2 :: Int -> [Double]

frecuenciaDigitosPi2 n =

[100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi2 n]

where m = fromIntegral n

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> last (take 5000 digitosPi)

-- 2

-- (4.47 secs, 3,927,848,448 bytes)

-- λ> frecuenciaDigitosPi 5000

-- [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> frecuenciaDigitosPi2 5000

-- [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

-- (0.02 secs, 0 bytes)

Búsqueda en los dígitos de pi

PorJosé A. Alonso 15-febrero-201726-marzo-2022

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

   3.1415926535897932384626433832 ... 83996346460422090106105779458151

1	3.1415926535897932384626433832 ... 83996346460422090106105779458151

Definir la función

   posicion :: String -> IO (Maybe Int)

1	posicion :: String -> IO (Maybe Int)

tal que (posicion n) es (Just k) si k es la posición de n en la sucesión formada por un millón dígitos decimales del número pi y Nothing si n no ocurre en dicha sucesión. Por ejemplo,

   λ> posicion "15"
   Just 3
   λ> posicion "2017"
   Just 8897
   λ> posicion "022017"
   Just 382052
   λ> posicion "14022017"
   Nothing
   λ> posicion "999999"
   Just 762
   λ> posicion "458151"
   Just 999995

λ> posicion "15"

Just 3

λ> posicion "2017"

Just 8897

λ> posicion "022017"

Just 382052

λ> posicion "14022017"

Nothing

λ> posicion "999999"

Just 762

λ> posicion "458151"

Just 999995

Nota. Se puede comprobar la función mediante The pi-search page o Pi search engine.

Soluciones

import Data.List (isPrefixOf)

posicion :: String -> IO (Maybe Int)
posicion ns = do
  ds <- readFile "Digitos_de_pi.txt"
  return (posicionEnLista (drop 2 ds) ns)

posicionEnLista :: Eq a => [a] -> [a] -> Maybe Int
posicionEnLista xs ys = aux xs 1
  where aux [] _ = Nothing
        aux (x:xs) n | ys `isPrefixOf` (x:xs) = Just n
                     | otherwise              = aux xs (n+1)

import Data.List (isPrefixOf)

posicion :: String -> IO (Maybe Int)

posicion ns = do

ds <- readFile "Digitos_de_pi.txt"

return (posicionEnLista (drop 2 ds) ns)

posicionEnLista :: Eq a => [a] -> [a] -> Maybe Int

posicionEnLista xs ys = aux xs 1

where aux [] _ = Nothing

aux (x:xs) n | ys `isPrefixOf` (x:xs) = Just n

| otherwise = aux xs (n+1)

Cálculo de pi usando la fórmula de Vieta

PorJosé A. Alonso 14-febrero-201725-abril-2021

La fórmula de Vieta para el cálculo de pi es la siguiente

Definir las funciones

   aproximacionPi :: Int -> Double
   errorPi :: Double -> Int

1 2	aproximacionPi :: Int -> Double errorPi :: Double -> Int

tales que

(aproximacionPi n) es la aproximación de pi usando n factores de la fórmula de Vieta. Por ejemplo,

     aproximacionPi  5  ==  3.140331156954753
     aproximacionPi 10  ==  3.1415914215112
     aproximacionPi 15  ==  3.141592652386592
     aproximacionPi 20  ==  3.1415926535886207
     aproximacionPi 25  ==  3.141592653589795

aproximacionPi 5 == 3.140331156954753

aproximacionPi 10 == 3.1415914215112

aproximacionPi 15 == 3.141592652386592

aproximacionPi 20 == 3.1415926535886207

aproximacionPi 25 == 3.141592653589795

(errorPi x) es el menor número de factores de la fórmula de Vieta necesarios para obtener pi con un error menor que x. Por ejemplo,

     errorPi 0.1        ==  2
     errorPi 0.01       ==  4
     errorPi 0.001      ==  6
     errorPi 0.0001     ==  7
     errorPi 1e-4       ==  7
     errorPi 1e-14      ==  24
     pi                 ==  3.141592653589793
     aproximacionPi 24  ==  3.1415926535897913

errorPi 0.1 == 2

errorPi 0.01 == 4

errorPi 0.001 == 6

errorPi 0.0001 == 7

errorPi 1e-4 == 7

errorPi 1e-14 == 24

pi == 3.141592653589793

aproximacionPi 24 == 3.1415926535897913

Soluciones

-- 1ª definición de aproximacionPi
aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n = product [2 / aux x | x <- [0..n]]
  where
    aux 0 = 1
    aux 1 = sqrt 2
    aux n = sqrt (2 + aux (n-1))

-- 2ª definición de aproximacionPi
aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 n = product [2/x | x <- 1 : xs] 
  where xs = take n $ iterate (\x -> sqrt (2+x)) (sqrt 2)

-- 3ª definición de aproximaxionPi
aproximacionPi3 :: Int -> Double
aproximacionPi3 n =  product (2 : take n (map (2/) xs))
  where xs = sqrt 2 : [sqrt (2 + x) | x <- xs]

-- 1ª definición de errorPi
errorPi :: Double -> Int
errorPi x = head [n | n <- [1..]
                    , abs (pi - aproximacionPi n) < x]

-- 2ª definición de errorPi
errorPi2 :: Double -> Int
errorPi2 x = until aceptable (+1) 1
  where aceptable n = abs (pi - aproximacionPi n) < x

-- 1ª definición de aproximacionPi

aproximacionPi :: Int -> Double

aproximacionPi n = product [2 / aux x | x <- [0..n]]

where

aux 0 = 1

aux 1 = sqrt 2

aux n = sqrt (2 + aux (n-1))

-- 2ª definición de aproximacionPi

aproximacionPi2 :: Int -> Double

aproximacionPi2 n = product [2/x | x <- 1 : xs]

where xs = take n $ iterate (\x -> sqrt (2+x)) (sqrt 2)

-- 3ª definición de aproximaxionPi

aproximacionPi3 :: Int -> Double

aproximacionPi3 n = product (2 : take n (map (2/) xs))

where xs = sqrt 2 : [sqrt (2 + x) | x <- xs]

-- 1ª definición de errorPi

errorPi :: Double -> Int

errorPi x = head [n | n <- [1..]

, abs (pi - aproximacionPi n) < x]

-- 2ª definición de errorPi

errorPi2 :: Double -> Int

errorPi2 x = until aceptable (+1) 1

where aceptable n = abs (pi - aproximacionPi n) < x

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