Grafo de divisibilidad

El grafo de divisibilidad de orden n es el grafo cuyos nodos son los números naturales entre 1 y n, cuyas aristas son los pares (x,y) tales que x divide a y o y divide a x. El coste de cada arista es el cociente entre su mayor y menor elemento.

Definir las siguientes funciones:

   grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int
   coste              :: Int -> Int

1 2	grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int coste :: Int -> Int

tales que

(grafoDivisibilidad n) es el grafo de divisibilidad de orden n. Por ejemplo,

      λ> grafoDivisibilidad 12
      G ND (array (1,12)
                  [(1,[(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(6,6),(7,7),
                       (8,8),(9,9),(10,10),(11,11),(12,12)]),
                   (2,[(1,2),(4,2),(6,3),(8,4),(10,5),(12,6)]),
                   (3,[(1,3),(6,2),(9,3),(12,4)]),
                   (4,[(1,4),(2,2),(8,2),(12,3)]),
                   (5,[(1,5),(10,2)]),
                   (6,[(1,6),(2,3),(3,2),(12,2)]),
                   (7,[(1,7)]),
                   (8,[(1,8),(2,4),(4,2)]),
                   (9,[(1,9),(3,3)]),
                   (10,[(1,10),(2,5),(5,2)]),
                   (11,[(1,11)]),
                   (12,[(1,12),(2,6),(3,4),(4,3),(6,2)])])

λ> grafoDivisibilidad 12

G ND (array (1,12)

[(1,[(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(6,6),(7,7),

(8,8),(9,9),(10,10),(11,11),(12,12)]),

(2,[(1,2),(4,2),(6,3),(8,4),(10,5),(12,6)]),

(3,[(1,3),(6,2),(9,3),(12,4)]),

(4,[(1,4),(2,2),(8,2),(12,3)]),

(5,[(1,5),(10,2)]),

(6,[(1,6),(2,3),(3,2),(12,2)]),

(7,[(1,7)]),

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

(9,[(1,9),(3,3)]),

(10,[(1,10),(2,5),(5,2)]),

(11,[(1,11)]),

(12,[(1,12),(2,6),(3,4),(4,3),(6,2)])])

(coste n) es el coste del árbol de expansión mínimo del grafo de divisibilidad de orden n. Por ejemplo,

      coste 12        ==  41
      coste 3000      ==  605305
      coste (2*10^5)  ==  1711798835

coste 12 == 41

coste 3000 == 605305

coste (2*10^5) == 1711798835

Soluciones

[schedule expon=’2019-06-10′ expat=»06:00″]

Las soluciones se pueden escribir en los comentarios hasta el 10 de junio.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

Pensamiento

Malos sueños he.
Me despertaré.

Antonio Machado

[/schedule]

[schedule on=’2019-06-10′ at=»06:00″]

import Data.Ix
import Data.List (delete, sort)
import qualified Data.Set as S
import I1M.Grafo
import I1M.Tabla
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- Definición de grafoDivisibilidad
-- ================================

grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int
grafoDivisibilidad n =
  creaGrafo ND (1,n) [(x,y,y `div` x) | y <- [1..n]
                                      , x <- [1..y-1]
                                      , y `mod` x == 0]

-- 1ª definición de coste (con el algoritmo de Kruskal)
-- ====================================================

coste1 :: Int -> Int
coste1 n = sum [p | (p,x,y) <- kruskal (grafoDivisibilidad n)]

-- (kruskal g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Kruskal. Por ejemplo,
--    λ> kruskal (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(5,1,5),(3,3,9),(3,1,3),(2,6,12),(2,5,10),
--     (2,4,8),(2,3,6),(2,2,4),(2,1,2)]
kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
kruskal g = kruskal' cola                           -- Cola ordenada
                     (tabla [(x,x) | x <- nodos g]) -- Tabla de raices
                     []                             -- Árbol de expansión
                     (length (nodos g) - 1)         -- Aristas por
                                                    -- colocar
    where cola = sort [(p,x,y) | (x,y,p) <- aristas g]

kruskal' ((p,x,y):as) t ae n 
  | n == 0      = ae
  | actualizado = kruskal' as t' ((p,x,y):ae) (n-1)
  | otherwise   = kruskal' as t  ae           n
  where (actualizado,t') = buscaActualiza (x,y) t

-- (raiz t n) es la raíz de n en la tabla t. Por ejemplo,
--    raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 5  == 1
--    raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 2  == 6
raiz:: Eq n => Tabla n n -> n -> n
raiz t x | v == x    = v
         | otherwise = raiz t v
         where v = valor t x

-- (buscaActualiza a t) es el par formado por False y la tabla t, si los
-- dos vértices de la arista a tienen la misma raíz en t y el par
-- formado por True y la tabla obtenida añadiéndole a t la arista
-- formada por el vértice de a de mayor raíz y la raíz del vértice de
-- a de menor raíz. Por ejemplo,
--    ghci> let t = crea [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)]
--    ghci> buscaActualiza (2,3) t
--    (True,Tbl [(1,1),(2,1),(3,1),(4,1)])
--    ghci> buscaActualiza (3,4) t
--    (False,Tbl [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)])
buscaActualiza :: (Eq n, Ord n) => (n,n) -> Tabla n n -> (Bool,Tabla n n)
buscaActualiza (x,y) t 
  | x' == y'  = (False, t) 
  | y' <  x'  = (True, modifica (x,y') t)
  | otherwise = (True, modifica (y,x') t)
  where x' = raiz t x 
        y' = raiz t y

-- 2ª definición de coste (con el algoritmo de Prim)
-- =================================================

coste2 :: Int -> Int
coste2 n = sum [p | (p,x,y) <- prim (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,
--    λ> prim (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),
--     (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]
prim :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
prim g = prim' [n]              -- Nodos colocados
               ns               -- Nodos por colocar 
               []               -- Árbol de expansión
               (aristas g)      -- Aristas del grafo
         where (n:ns) = nodos g

prim' t [] ae as = ae
prim' t r  ae as = prim' (v':t) (delete v' r) (e:ae) as
  where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,
                                         u `elem` t, 
                                         v `elem` r]

-- 3ª definición de coste (con el algoritmo de Prim con conjuntos)
-- ===============================================================

coste3 :: Int -> Int
coste3 n = sum [p | (p,x,y) <- prim2 (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim2 g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,
--    λ> prim2 (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),
--     (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]
prim2 :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
prim2 g = prim2' (S.singleton n)  -- Nodos colocados
                 (S.fromList ns)  -- Nodos por colocar 
                 []               -- Árbol de expansión
                 (aristas g)      -- Aristas del grafo
  where (n:ns) = nodos g

prim2' t r ae as
  | S.null r  = ae
  | otherwise = prim2' (S.insert v' t)
                       (S.delete v' r)
                       (e:ae)
                       as
  where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,
                                         S.member u t, 
                                         S.member v r]

-- 4ª definición de coste
-- ======================

coste4 :: Int -> Int
coste4 n = sum [head (primeFactors x) | x <- [2..n]]

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

--    λ> coste1 400
--    14923
--    (0.08 secs, 31,336,440 bytes)
--    λ> coste2 400
--    14923
--    (4.54 secs, 220,745,608 bytes)
--    λ> coste3 400
--    14923
--    (0.69 secs, 217,031,144 bytes)
--    λ> coste4 400
--    14923
--    (0.01 secs, 2,192,336 bytes)
--    
--    λ> coste1 2000
--    284105
--    (2.09 secs, 842,601,904 bytes)
--    λ> coste4 2000
--    284105
--    (0.02 secs, 14,586,888 bytes)

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import Data.Ix

import Data.List (delete, sort)

import qualified Data.Set as S

import I1M.Grafo

import I1M.Tabla

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- Definición de grafoDivisibilidad

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

grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int

grafoDivisibilidad n =

creaGrafo ND (1,n) [(x,y,y `div` x) | y <- [1..n]

, x <- [1..y-1]

, y `mod` x == 0]

-- 1ª definición de coste (con el algoritmo de Kruskal)

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

coste1 :: Int -> Int

coste1 n = sum [p | (p,x,y) <- kruskal (grafoDivisibilidad n)]

-- (kruskal g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado

-- mediante el algoritmo de Kruskal. Por ejemplo,

-- λ> kruskal (grafoDivisibilidad 12)

-- [(11,1,11),(7,1,7),(5,1,5),(3,3,9),(3,1,3),(2,6,12),(2,5,10),

-- (2,4,8),(2,3,6),(2,2,4),(2,1,2)]

kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

kruskal g = kruskal' cola -- Cola ordenada

(tabla [(x,x) | x <- nodos g]) -- Tabla de raices

[] -- Árbol de expansión

(length (nodos g) - 1) -- Aristas por

-- colocar

where cola = sort [(p,x,y) | (x,y,p) <- aristas g]

kruskal' ((p,x,y):as) t ae n

| n == 0 = ae

| actualizado = kruskal' as t' ((p,x,y):ae) (n-1)

| otherwise = kruskal' as t ae n

where (actualizado,t') = buscaActualiza (x,y) t

-- (raiz t n) es la raíz de n en la tabla t. Por ejemplo,

-- raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 5 == 1

-- raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 2 == 6

raiz:: Eq n => Tabla n n -> n -> n

raiz t x | v == x = v

| otherwise = raiz t v

where v = valor t x

-- (buscaActualiza a t) es el par formado por False y la tabla t, si los

-- dos vértices de la arista a tienen la misma raíz en t y el par

-- formado por True y la tabla obtenida añadiéndole a t la arista

-- formada por el vértice de a de mayor raíz y la raíz del vértice de

-- a de menor raíz. Por ejemplo,

-- ghci> let t = crea [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)]

-- ghci> buscaActualiza (2,3) t

-- (True,Tbl [(1,1),(2,1),(3,1),(4,1)])

-- ghci> buscaActualiza (3,4) t

-- (False,Tbl [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)])

buscaActualiza :: (Eq n, Ord n) => (n,n) -> Tabla n n -> (Bool,Tabla n n)

buscaActualiza (x,y) t

| x' == y' = (False, t)

| y' < x' = (True, modifica (x,y') t)

| otherwise = (True, modifica (y,x') t)

where x' = raiz t x

y' = raiz t y

-- 2ª definición de coste (con el algoritmo de Prim)

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

coste2 :: Int -> Int

coste2 n = sum [p | (p,x,y) <- prim (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado

-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,

-- λ> prim (grafoDivisibilidad 12)

-- [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),

-- (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]

prim :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

prim g = prim' [n] -- Nodos colocados

ns -- Nodos por colocar

[] -- Árbol de expansión

(aristas g) -- Aristas del grafo

where (n:ns) = nodos g

prim' t [] ae as = ae

prim' t r ae as = prim' (v':t) (delete v' r) (e:ae) as

where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,

u `elem` t,

v `elem` r]

-- 3ª definición de coste (con el algoritmo de Prim con conjuntos)

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

coste3 :: Int -> Int

coste3 n = sum [p | (p,x,y) <- prim2 (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim2 g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado

-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,

-- λ> prim2 (grafoDivisibilidad 12)

-- [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),

-- (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]

prim2 :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

prim2 g = prim2' (S.singleton n) -- Nodos colocados

(S.fromList ns) -- Nodos por colocar

[] -- Árbol de expansión

(aristas g) -- Aristas del grafo

where (n:ns) = nodos g

prim2' t r ae as

| S.null r = ae

| otherwise = prim2' (S.insert v' t)

(S.delete v' r)

(e:ae)

where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,

S.member u t,

S.member v r]

-- 4ª definición de coste

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

coste4 :: Int -> Int

coste4 n = sum [head (primeFactors x) | x <- [2..n]]

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> coste1 400

-- 14923

-- (0.08 secs, 31,336,440 bytes)

-- λ> coste2 400

-- 14923

-- (4.54 secs, 220,745,608 bytes)

-- λ> coste3 400

-- 14923

-- (0.69 secs, 217,031,144 bytes)

-- λ> coste4 400

-- 14923

-- (0.01 secs, 2,192,336 bytes)

-- λ> coste1 2000

-- 284105

-- (2.09 secs, 842,601,904 bytes)

-- λ> coste4 2000

-- 284105

-- (0.02 secs, 14,586,888 bytes)

[/schedule]

import I1M.Grafo
import I1M.Tabla
import Data.List
import Data.Ix

grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int
grafoDivisibilidad n = creaGrafo ND (1,n) [(a,b,div (max a b) (min a b)) | a <- [1..n], b <- [1..n], mod b a == 0, a /= b]

coste :: Int -> Int
coste n = sum $ map (\(a,b,c) -> a) $  kruskal (grafoDivisibilidad  n)

coste2 :: Int -> Int
coste2 n = sum (map head [primeFactors n | n <- [2..n]])

kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
kruskal g = kruskal' cola
                     (tabla [(x,x) | x <- nodos g])
                     []                            
                     ((length (nodos g)) - 1)      
                                                   
    where cola = sort [(p,x,y) | (x,y,p) <- aristas g]

kruskal' ((p,x,y):as) t ae n 
    | n==0        = ae
    | actualizado = kruskal' as t' ((p,x,y):ae) (n-1)
    | otherwise   = kruskal' as t  ae           n
    where (actualizado,t') = buscaActualiza (x,y) t

raiz:: Eq n => Tabla n n -> n -> n
raiz t x | v == x    = v
         | otherwise = raiz t v
         where v = valor t x

buscaActualiza :: (Eq n, Ord n) => (n,n) -> Tabla n n 
                                   -> (Bool,Tabla n n)
buscaActualiza (x,y) t 
    | x' == y'  = (False, t) 
    | y' <  x'  = (True, modifica (x,y') t)
    | otherwise = (True, modifica (y,x') t)
    where x' = raiz t x 
          y' = raiz t y

import I1M.Grafo

import I1M.Tabla

import Data.List

import Data.Ix

grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int

grafoDivisibilidad n = creaGrafo ND (1,n) [(a,b,div (max a b) (min a b)) | a <- [1..n], b <- [1..n], mod b a == 0, a /= b]

coste :: Int -> Int

coste n = sum $ map (\(a,b,c) -> a) $ kruskal (grafoDivisibilidad n)

coste2 :: Int -> Int

coste2 n = sum (map head [primeFactors n | n <- [2..n]])

kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

kruskal g = kruskal' cola

(tabla [(x,x) | x <- nodos g])

[]

((length (nodos g)) - 1)

where cola = sort [(p,x,y) | (x,y,p) <- aristas g]

kruskal' ((p,x,y):as) t ae n

| n==0 = ae

| actualizado = kruskal' as t' ((p,x,y):ae) (n-1)

| otherwise = kruskal' as t ae n

where (actualizado,t') = buscaActualiza (x,y) t

raiz:: Eq n => Tabla n n -> n -> n

raiz t x | v == x = v

| otherwise = raiz t v

where v = valor t x

buscaActualiza :: (Eq n, Ord n) => (n,n) -> Tabla n n

-> (Bool,Tabla n n)

buscaActualiza (x,y) t

| x' == y' = (False, t)

| y' < x' = (True, modifica (x,y') t)

| otherwise = (True, modifica (y,x') t)

where x' = raiz t x

y' = raiz t y

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