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Categoría: Medio

Matrices de Toepliz

Una matriz de Toeplitz es una matriz cuadrada que es constante a lo largo de las diagonales paralelas a la diagonal principal. Por ejemplo,

   |2 5 1 6|       |2 5 1 6|          
   |4 2 5 1|       |4 2 6 1|
   |7 4 2 5|       |7 4 2 5|
   |9 7 4 2|       |9 7 4 2|

la primera es una matriz de Toeplitz y la segunda no lo es.

Las anteriores matrices se pueden definir por

   ej1, ej2 :: Array (Int,Int) Int
   ej1 = listArray ((1,1),(4,4)) [2,5,1,6,4,2,5,1,7,4,2,5,9,7,4,2]
   ej2 = listArray ((1,1),(4,4)) [2,5,1,6,4,2,6,1,7,4,2,5,9,7,4,2]

Definir la función

   esToeplitz :: Eq a => Array (Int,Int) a -> Bool

tal que (esToeplitz p) se verifica si la matriz p es de Toeplitz. Por ejemplo,

   esToeplitz ej1  ==  True
   esToeplitz ej2  ==  False

Soluciones

import Data.Array
 
ej1, ej2 :: Array (Int,Int) Int
ej1 = listArray ((1,1),(4,4)) [2,5,1,6,4,2,5,1,7,4,2,5,9,7,4,2]
ej2 = listArray ((1,1),(4,4)) [2,5,1,6,4,2,6,1,7,4,2,5,9,7,4,2]
 
esToeplitz :: Eq a => Array (Int,Int) a -> Bool
esToeplitz p = m == n && 
               and [p!(i,j) == p!(i+1,j+1) | 
                    i <- [1..n-1], j <- [1..n-1]]
    where (_,(m,n)) = bounds p

Período de una lista

El período de una lista xs es la lista más corta ys tal que xs se puede obtener concatenando varias veces la lista ys. Por ejemplo, el período “abababab” es “ab” ya que “abababab” se obtiene repitiendo tres veces la lista “ab”.

Definir la función

   periodo :: Eq a => [a] -> [a]

tal que (periodo xs) es el período de xs. Por ejemplo,

   periodo "ababab"      ==  "ab"
   periodo "buenobueno"  ==  "bueno"
   periodo "oooooo"      ==  "o"
   periodo "sevilla"     ==  "sevilla"

Soluciones

import Data.List (isPrefixOf, inits)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
periodo1 :: Eq a => [a] -> [a]
periodo1 xs = take n xs
    where l = length xs
          n = head [m | m <- divisores l, 
                        concat (replicate (l `div` m) (take m xs)) == xs]
 
-- (divisores n) es la lista de los divisores de n. Por ejemplo,
--    divisores 96  ==  [1,2,3,4,6,8,12,16,24,32,48,96]
divisores :: Int -> [Int]
divisores n = [x | x <- [1..n], n `mod` x == 0]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
periodo2 :: Eq a => [a] -> [a]
periodo2 xs = take n xs
    where l = length xs
          n = head [m | m <- divisores l, 
                        xs `isPrefixOf` cycle (take m xs)]

Problema de las puertas

Un hotel dispone de n habitaciones y n camareros. Los camareros tienen la costumbre de cambiar de estado las puertas (es decir, abrir las cerradas y cerrar las abiertas). El proceso es el siguiente:

  • Inicialmente todas las puertas están cerradas.
  • El primer camarero cambia de estado las puertas de todas las habitaciones.
  • El segundo cambia de estado de las puertas de las habitaciones pares.
  • El tercero cambia de estado todas las puertas que son múltiplos de 3.
  • El cuarto cambia de estado todas las puertas que son múltiplos de 4
  • Así hasta que ha pasado el último camarero.

Por ejemplo, para n = 5

   Pase    | Puerta 1 | Puerta 2 | Puerta 3 | Puerta 4 | Puerta 5
   Inicial | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada
   Pase 1  | Abierta  | Abierta  | Abierta  | Abierta  | Abierta
   Pase 2  | Abierta  | Cerrada  | Abierta  | Cerrada  | Abierta
   Pase 3  | Abierta  | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada  | Abierta
   Pase 4  | Abierta  | Cerrada  | Cerrada  | Abierta  | Abierta
   Pase 5  | Abierta  | Cerrada  | Cerrada  | Abierta  | Cerrada

Los estados de las puertas se representan por el siguiente tipo de datos

   data Estado = Abierta | Cerrada deriving Show

Definir la función

   final :: Int -> [Estado]

tal que (final n) es la lista de los estados de las n puertas después de que hayan pasado los n camareros. Por ejemplo,

   ghci> final 5
   [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Cerrada]
   ghci> final 7
   [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Cerrada,Cerrada,Cerrada]

Soluciones

 
-- 1ª solución
-- ===========
 
data Estado = Abierta | Cerrada 
  deriving (Eq, Show)
 
cambia Abierta = Cerrada
cambia Cerrada = Abierta
 
-- (inicial n) es el estado inicial para el problema de las n
-- habitaciones. Por ejemplo,
--    inicial 5  ==  [Cerrada,Cerrada,Cerrada,Cerrada,Cerrada]
inicial :: Int -> [Estado]
inicial n = replicate n Cerrada
 
-- (pase k es) es la lista de los estados de las puertas después de pasar el
-- camarero k que las encuentra en los estados es. Por ejemplo,
--    ghci> pase 1 (inicial 5)
--    [Abierta,Abierta,Abierta,Abierta,Abierta]
--    ghci> pase 2 it
--    [Abierta,Cerrada,Abierta,Cerrada,Abierta]
--    ghci> pase 3 it
--    [Abierta,Cerrada,Cerrada,Cerrada,Abierta]
--    ghci> pase 4 it
--    [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Abierta]
--    ghci> pase 5 it
--    [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Cerrada]
pase :: [Estado] -> Int -> [Estado] 
pase es k = zipWith cambiaK  es [1..] 
  where cambiaK e n | n `mod` k == 0 = cambia e
                    | otherwise      = e
 
final :: Int -> [Estado]
final n = aux [1..n] (inicial n) 
  where aux []     es = es  
        aux (k:ks) es = aux ks (pase es k)
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
final2 :: Int -> [Estado]
final2 n = foldl pase (inicial n) [1..n] 
 
-- 3ª solución
-- =============
 
final3 :: Int -> [Estado]
final3 n = map f [1..n]
  where f x | even (length (divisores x)) = Cerrada
            | otherwise                   = Abierta
 
divisores :: Int -> [Int]
divisores n = [x | x <- [1..n], n `mod` x == 0]
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
-- En primer lugar, vamos a determinar la lista de las posiciones
-- (comenzando a contar en 1) de las puertas que quedan abierta en el
-- problema de las n puertas. 
posicionesAbiertas :: Int -> [Int]
posicionesAbiertas n = 
  [x | (x,y) <- zip [1..] (final n), y == Abierta]
 
-- Al calcularlas,
--    ghci> posicionesAbiertas 200
--    [1,4,9,16,25,36,49,64,81,100,121,144,169,196]
-- Se observa las que quedan abiertas son las que sus posiciones son
-- cuadrados perfectos. Usando esta observación se construye la
-- siguiente definición
 
final4 :: Int -> [Estado]
final4 n = aux [1..n] [k*k | k <- [1..]] 
  where aux (x:xs) (y:ys) | x == y  =  Abierta : aux xs ys
        aux (x:xs) ys               =  Cerrada : aux xs ys
        aux []     _                =  []
 
-- ---------------------------------------------------------------------
-- § Comparación de eficiencia                                        --
-- ---------------------------------------------------------------------
 
--    ghci> last (final 1000)
--    Cerrada
--    (0.23 secs, 218727400 bytes)
--    ghci> last (final 2000)
--    Cerrada
--    (1.78 secs, 868883080 bytes)
--    ghci> last (final2 1000)
--    Cerrada
--    (0.08 secs, 218729392 bytes)
--    ghci> last (final2 2000)
--    Cerrada
--    (1.77 secs, 868948600 bytes)
--    ghci> last (final3 1000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 1029256 bytes)
--    ghci> last (final3 2000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 2121984 bytes)
--    ghci> last (final4 1000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 1029328 bytes)
--    ghci> last (final4 2000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 1578504 bytes)
--    ghci> last (final3 10000)
--    Abierta
--    (0.01 secs, 4670104 bytes)
--    ghci> last (final3 100000)
--    Cerrada
--    (0.09 secs, 38717032 bytes)
--    ghci> last (final3 1000000)
--    Abierta
--    (1.27 secs, 377100832 bytes)
--    ghci> last (final4 1000000)
--    Abierta
--    (1.41 secs, 273292448 bytes)

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>

Reparto de escaños por la ley d’Hont

El sistema D’Hondt es una fórmula creada por Victor d’Hondt, que permite obtener el número de cargos electos asignados a las candidaturas, en proporción a los votos conseguidos.

Tras el recuento de los votos, se calcula una serie de divisores para cada partido. La fórmula de los divisores es V/N, donde V representa el número total de votos recibidos por el partido, y N representa cada uno de los números enteros desde 1 hasta el número de cargos electos de la circunscripción objeto de escrutinio. Una vez realizadas las divisiones de los votos de cada partido por cada uno de los divisores desde 1 hasta N, la asignación de cargos electos se hace ordenando los cocientes de las divisiones de mayor a menor y asignando a cada uno un escaño hasta que éstos se agoten

Definir la función

   reparto :: Int -> [Int] -> [(Int,Int)]

tal que (reparto n vs) es la lista de los pares formados por los números de los partidos y el número de escaño que les corresponden al repartir n escaños en función de la lista de sus votos. Por ejemplo,

   ghci> reparto 7 [340000,280000,160000,60000,15000]
   [(1,3),(2,3),(3,1)]
   ghci> reparto 21 [391000,311000,184000,73000,27000,12000,2000]
   [(1,9),(2,7),(3,4),(4,1)]

es decir, en el primer ejemplo,

  • al 1º partido (que obtuvo 340000 votos) le corresponden 3 escaños,
  • al 2º partido (que obtuvo 280000 votos) le corresponden 3 escaños,
  • al 3º partido (que obtuvo 160000 votos) le corresponden 1 escaño.

Soluciones

import Data.List (sort, group)
 
-- Para los ejemplos que siguen, se usará la siguiente ditribución de
-- votos entre 5 partidos.
ejVotos :: [Int]
ejVotos = [340000,280000,160000,60000,15000]
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
reparto :: Int -> [Int] -> [(Int,Int)]
reparto n vs = 
  [(x,1 + length xs) | (x:xs) <- group (sort (repartoAux n vs))] 
 
-- (repartoAux n vs) es el número de los partidos, cuyos votos son vs, que
-- obtienen los n escaños. Por ejemplo,
--    ghci> repartoAux 7 ejVotos
--    [1,2,1,3,2,1,2]
repartoAux :: Int -> [Int] -> [Int]
repartoAux n vs = map snd (repartoAux' n vs)
 
-- (repartoAux' n vs) es la lista formada por los n restos mayores
-- correspondientes a la lista de votos vs. Por ejemplo,
--    ghci> repartoAux' 7 ejVotos
--    [(340000,1),(280000,2),(170000,1),(160000,3),(140000,2),(113333,1),
--     (93333,2)]
repartoAux' :: Int -> [Int] -> [(Int,Int)]
repartoAux' n vs = 
  take n (reverse (sort (concatMap (restos n) (votosPartidos vs))))
 
-- (votosPartidos vs) es la lista con los pares formados por los votos y
-- el número de cada partido. Por ejemplo, 
--    ghci> votosPartidos ejVotos
--    [(340000,1),(280000,2),(160000,3),(60000,4),(15000,5)]
votosPartidos :: [Int] -> [(Int,Int)]
votosPartidos vs = zip vs [1..]
 
-- (restos n (x,i)) es la lista obtenidas dividiendo n entre 1, 2,..., n.
-- Por ejemplo, 
--    ghci> restos 5 (340000,1)
--    [(340000,1),(170000,1),(113333,1),(85000,1),(68000,1)]
restos :: Int -> (Int,Int) -> [(Int,Int)]
restos n (x,i) = [(x `div` k,i) | k <- [1..n]]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
reparto2 :: Int -> [Int] -> [(Int,Int)]
reparto2 n xs = 
  ( map (\x -> (head x, length x))  
  . group  
  . sort  
  . map snd  
  . take n  
  . reverse  
  . sort
  ) [(x `div` i, p) | (x,p) <- zip xs [1..], i <- [1..n]]

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>

Huecos de Aquiles

Un número de Aquiles es un número natural n que es potente (es decir, si p es un divisor primo de n, entonces p² también lo es) y no es una potencia perfecta (es decir, no existen números naturales m y k tales que n es igual a m^k). Por ejemplo,

  • 108 es un número de Aquiles proque es un número potente (ya que su factorización es 2^2 · 3^3, sus divisores primos son 2 and 3 y sus cuadrados (2^2 = 4 y 3^2 = 9) son divisores de 108. Además, 108 no es una potencia perfecta.
  • 360 no es un número de Aquiles ya que 5 es un divisor primo de 360, pero 5^2 = 15 no lo es.
  • 784 no es un número de Aquiles porque, aunque es potente, es una potencia perfecta ya que 784 = 28^2.

Los primeros números de Aquiles son

   72, 108, 200, 288, 392, 432, 500, 648, 675, 800, 864, 968, 972, ...

Definir las funciones

   esAquiles              :: Integer -> Bool
   huecosDeAquiles        :: [Integer]
   graficaHuecosDeAquiles :: Int -> IO ()

tales que

  • (esAquiles x) se verifica si x es un número de Aquiles. Por ejemplo,
     esAquiles 108         ==  True
     esAquiles 360         ==  False
     esAquiles 784         ==  False
     esAquiles 5425069447  ==  True
     esAquiles 5425069448  ==  True
  • huecosDeAquiles es la sucesión de la diferencias entre los números de Aquiles consecutivos. Por ejemplo,
     λ> take 15 huecosDeAquiles
     [36,92,88,104,40,68,148,27,125,64,104,4,153,27,171]
  • (graficaHuecosDeAquiles n) dibuja la gráfica de los n primeros huecos de Aquiles. Por ejemplo, (graficaHuecosDeAquiles 160) dibuja

Soluciones

import Data.List (group)
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- Definición de esAquiles
-- =======================
 
esAquiles :: Integer -> Bool
esAquiles x = esPotente x && noEsPotenciaPerfecta x
 
-- (esPotente x) se verifica si x es potente. Por ejemplo,
--    esPotente 108  ==  True
--    esPotente 360  ==  False
--    esPotente 784  ==  True
esPotente :: Integer -> Bool
esPotente x = all (>1) (exponentes x)
 
-- (exponentes x) es la lista de los exponentes en la factorización de
-- x. Por ejemplo,
--    exponentes 108  ==  [2,3]
--    exponentes 360  ==  [3,2,1]
--    exponentes 784  ==  [4,2]
exponentes :: Integer -> [Int]
exponentes x = map length (group (primeFactors x))
 
-- (noEsPotenciaPerfecta x) se verifica si x no es una potencia
-- perfecta. Por ejemplo,
--    noEsPotenciaPerfecta 108  ==  True
--    noEsPotenciaPerfecta 360  ==  True
--    noEsPotenciaPerfecta 784  ==  False
noEsPotenciaPerfecta :: Integer -> Bool
noEsPotenciaPerfecta x = foldl1 gcd (exponentes x) == 1 
 
-- Definición de huecosDeAquiles
-- =============================
 
huecosDeAquiles :: [Integer]
huecosDeAquiles = zipWith (-) (tail aquiles) aquiles
 
-- aquiles es la sucesión de los números de Aquiles. Por ejemplo, 
--    λ> take 15 aquiles
--    [72,108,200,288,392,432,500,648,675,800,864,968,972,1125,1152]
aquiles :: [Integer]
aquiles = filter esAquiles [2..]
 
-- Definición de graficaHuecosDeAquiles
-- ====================================
 
graficaHuecosDeAquiles :: Int -> IO ()
graficaHuecosDeAquiles n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG "Huecos_de_Aquiles.png"
           ]
           (take n huecosDeAquiles)

Otras soluciones

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