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Camino de máxima suma en una matriz

José A. Alonso, ,

Los caminos desde el extremo superior izquierdo (posición (1,1)) hasta el extremo inferior derecho (posición (3,4)) en la matriz

   (  1  6 11  2 )
   (  7 12  3  8 )
   (  3  8  4  9 )

moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha, son los siguientes:

   1, 7,  3, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 12, 8, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 3, 4, 9
   1, 6, 11, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 2, 8, 9

Las sumas de los caminos son 32, 41, 36, 40, 40, 35, 39, 34, 38 y 37, respectivamente. El camino de máxima suma es el segundo (1, 7, 12, 8, 4, 9) que tiene una suma de 41.

Definir la función

   caminoMaxSuma :: Matrix Int -> [Int]

tal que (caminoMaxSuma m) es un camino de máxima suma en la matriz m desde el extremo superior izquierdo hasta el extremo inferior derecho, moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha. Por ejemplo,

   λ> caminoMaxSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])
   [1,7,12,8,4,9]
   λ> sum (caminoMaxSuma (fromList 800 800 [1..]))
   766721999

Soluciones

import Data.Matrix
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª definición
-- =============
 
caminoMaxSuma1 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma1 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos1 m
        k  = maximum (map sum cs)
 
caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos1 m =
  map reverse (caminos1Aux m (nf,nc))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
 
-- (caminos1Aux p x) es la lista de los caminos invertidos en la matriz p
-- desde la posición (1,1) hasta la posición x. Por ejemplo,
caminos1Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> [[Int]]
caminos1Aux m (1,1) = [[m!(1,1)]]
caminos1Aux m (1,j) = [[m!(1,k) | k <- [j,j-1..1]]]
caminos1Aux m (i,1) = [[m!(k,1) | k <- [i,i-1..1]]]
caminos1Aux m (i,j) = [m!(i,j) : xs
                      | xs <- caminos1Aux m (i,j-1) ++
                              caminos1Aux m (i-1,j)]
 
-- 2ª definición
-- =============
 
caminoMaxSuma2 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma2 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos2 m
        k  = maximum (map sum cs)
 
caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos2 m =
  map reverse (matrizCaminos m ! (nrows m, ncols m))
 
matrizCaminos :: Matrix Int -> Matrix [[Int]]
matrizCaminos m = q
  where
    q = matrix (nrows m) (ncols m) f
    f (1,y) = [[m!(1,z) | z <- [y,y-1..1]]]
    f (x,1) = [[m!(z,1) | z <- [x,x-1..1]]]
    f (x,y) = [m!(x,y) : cs | cs <- q!(x-1,y) ++ q!(x,y-1)]  
 
-- 3ª definición (con programación dinámica)
-- =========================================
 
caminoMaxSuma3 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma3 m = reverse (snd (q ! (nf,nc)))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = caminoMaxSumaAux m
 
caminoMaxSumaAux :: Matrix Int -> Matrix (Int,[Int])
caminoMaxSumaAux m = q 
  where
    nf = nrows m
    nc = ncols m
    q  = matrix nf nc f
      where
        f (1,1) = (m!(1,1),[m!(1,1)])
        f (1,j) = (k + m!(1,j), m!(1,j):xs)
          where (k,xs) = q!(1,j-1)
        f (i,1) = (k + m!(i,1), m!(i,1):xs)
          where (k,xs) = q!(i-1,1)        
        f (i,j) | k1 > k2   = (k1 + m!(i,j), m!(i,j):xs)
                | otherwise = (k2 + m!(i,j), m!(i,j):ys)
          where (k1,xs) = q!(i,j-1)
                (k2,ys) = q!(i-1,j)
 
-- Equivalencia de las definiciones
-- ================================
 
-- El generador es
instance Arbitrary a => Arbitrary (Matrix a) where
  arbitrary =  do
    m <- choose (1,7)
    n <- choose (1,7)
    xs <- Test.QuickCheck.vector (n*m)
    return (fromList m n xs)
 
 
-- Por ejemplo,
--    λ> sample' (arbitrary :: Gen (Matrix Int))
--    [( 0 )
--     ( 0 )
--     ( 0 )
--     ( 0 )
--    ,(  1  2 )
--     ( -1  1 )
--     ( -1 -2 )
--     (  1 -1 )
--     (  1  0 )
--     (  2  0 )
--     (  2 -2 )
--    ,( -4  4 -2 )
--     ( -2  0 -2 )
--     (  0 -1 -2 )
--     ( -4 -1  2 )
--    ,( -2  7 -3  1 -5 -3  5 )
--     (  0  2  7 -1 -5  7 -6 )
--     (  1  7 -8  1  6 -7  5 )
--     ( -4  7 -2 -7 -5  5 -8 )
--    ...
 
-- La propiedad es
prop_caminoMaxSuma :: Matrix Int -> Bool
prop_caminoMaxSuma m =
  x1 == x2 && x2 == x3
  where x1 = sum (caminoMaxSuma1 m)
        x2 = sum (caminoMaxSuma2 m)
        x3 = sum (caminoMaxSuma1 m)
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_caminoMaxSuma
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
 
-- Comparación de eficiencia
-- -------------------------
 
--    λ> length (caminoMaxSuma1 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (10.00 secs, 1,510,120,328 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma2 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (3.84 secs, 745,918,544 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma3 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (0.01 secs, 0 bytes)

Pensamiento

Caminante, no hay camino,
sino estelas en la mar.

Antonio Machado

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Suma de segmentos iniciales

José A. Alonso, ,

Los segmentos iniciales de [3,1,2,5] son [3], [3,1], [3,1,2] y [3,1,2,5]. Sus sumas son 3, 4, 6 y 9, respectivamente. La suma de dichas sumas es 24.

Definir la función

   sumaSegmentosIniciales :: [Integer] -> Integer

tal que (sumaSegmentosIniciales xs) es la suma de las sumas de los segmentos iniciales de xs. Por ejemplo,

   sumaSegmentosIniciales [3,1,2,5]     ==  24
   sumaSegmentosIniciales3 [1..3*10^6]  ==  4500004500001000000

Comprobar con QuickCheck que la suma de las sumas de los segmentos iniciales de la lista formada por n veces el número uno es el n-ésimo número triangular; es decir que

   sumaSegmentosIniciales (genericReplicate n 1)

es igual a

   n * (n + 1) `div` 2

Soluciones

import Data.List (genericLength, genericReplicate)
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
sumaSegmentosIniciales :: [Integer] -> Integer
sumaSegmentosIniciales xs =
  sum [sum (take k xs) | k <- [1.. length xs]]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
sumaSegmentosIniciales2 :: [Integer] -> Integer
sumaSegmentosIniciales2 xs =
  sum (zipWith (*) [n,n-1..1] xs)
  where n = genericLength xs
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
sumaSegmentosIniciales3 :: [Integer] -> Integer
sumaSegmentosIniciales3 xs =
  sum (scanl1 (+) xs)
 
-- Comprobación de la equivalencia
-- ===============================
 
-- La propiedad es
prop_sumaSegmentosInicialesEquiv :: [Integer] -> Bool
prop_sumaSegmentosInicialesEquiv xs =
  all (== sumaSegmentosIniciales xs) [f xs | f <- [ sumaSegmentosIniciales2
                                                  , sumaSegmentosIniciales3]]
 
-- La comprobación es
--   λ> quickCheck prop_sumaSegmentosInicialesEquiv
--   +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--   λ> sumaSegmentosIniciales [1..10^4]
--   166716670000
--   (2.42 secs, 7,377,926,824 bytes)
--   λ> sumaSegmentosIniciales2 [1..10^4]
--   166716670000
--   (0.01 secs, 4,855,176 bytes)
--   
--   λ> sumaSegmentosIniciales2 [1..3*10^6]
--   4500004500001000000
--   (2.68 secs, 1,424,404,168 bytes)
--   λ> sumaSegmentosIniciales3 [1..3*10^6]
--   4500004500001000000
--   (1.54 secs, 943,500,384 bytes)
 
-- Comprobación de la propiedad
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_sumaSegmentosIniciales :: Positive Integer -> Bool
prop_sumaSegmentosIniciales (Positive n) =
  sumaSegmentosIniciales3 (genericReplicate n 1) ==
  n * (n + 1) `div` 2
 
-- La compronación es
--   λ> quickCheck prop_sumaSegmentosIniciales
--   +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Al andar se hace camino,
y al volver la vista atrás
se ve la senda que nunca
se ha de volver a pisar.

Antonio Machado

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Números como suma de sus dígitos

José A. Alonso, ,

El número 23 se puede escribir de 4 formas como suma de sus dígitos

   2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 3
   2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 3 + 3 + 3
   2 + 2 + 2 + 2 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3
   2 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3

La de menor número de sumando es la última, que tiene 8 sumandos.

Definir las funciones

   minimoSumandosDigitos        :: Integer -> Integer
   graficaMinimoSumandosDigitos :: Integer -> IO ()

tales que

  • (minimoSumandosDigitos n) es el menor número de dígitos de n cuya suma es n. Por ejemplo,
     minimoSumandosDigitos 23    ==  8
     minimoSumandosDigitos 232   ==  78
     minimoSumandosDigitos 2323  ==  775
     map minimoSumandosDigitos [10..20] == [10,11,6,5,5,3,6,5,4,3,10]
  • (graficaMinimoSumandosDigitos n) dibuja la gráfica de (minimoSumandosDigitos k) par los k primeros números naturales. Por ejemplo, (graficaMinimoSumandosDigitos 300) dibuja

Soluciones

import Data.List (nub, genericLength, sort)
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
minimoSumandosDigitos :: Integer -> Integer
minimoSumandosDigitos n =
  minimoSumandos (digitos n) n
 
-- (digitos n) es el conjunto de los dígitos no nulos de n. Por ejemplo,
--    digitos 2032  ==  [2,3]
digitos :: Integer -> [Integer]
digitos n =
  nub [read [c] | c <- show n, c /= '0']
 
-- (minimoSumandos xs n) es el menor número de elementos de la lista de
-- enteros positivos xs (con posibles repeticiones) cuya suma es n. Por
-- ejemplo, 
--    minimoSumandos [7,2,4] 11  ==  2
minimoSumandos :: [Integer] -> Integer -> Integer
minimoSumandos xs n =
  minimum (mapo genericLength (sumas xs n))
 
-- (sumas xs n) es la lista de elementos de la lista de enteros
-- positivos xs (con posibles repeticiones) cuya suma es n. Por ejemplo,  
--    sumas [7,2,4] 11  ==  [[7,2,2],[7,4]]
sumas :: [Integer] -> Integer -> [[Integer]]
sumas [] 0 = [[]]
sumas [] _ = []
sumas (x:xs) n
  | x <= n    = map (x:) (sumas (x:xs) (n-x)) ++ sumas xs n
  | otherwise = sumas xs n
 
graficaMinimoSumandosDigitos :: Integer -> IO ()
graficaMinimoSumandosDigitos n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG "Numero_como_suma_de_sus_digitos.png"
           ]
           [minimoSumandosDigitos k | k <- [0..n-1]]

Pensamiento

Caminante, son tus huellas
el camino, y nada más;
caminante no hay camino,
se hace camino al andar.

Antonio Machado

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Las torres de Hanói

José A. Alonso, ,

Las torres de Hanoi es un rompecabeza que consta de tres postes que llamaremos A, B y C. Hay N discos de distintos tamaños en el poste A, de forma que no hay un disco situado sobre otro de menor tamaño. Los postes B y C están vacíos. Sólo puede moverse un disco a la vez y todos los discos deben de estar ensartados en algún poste. Ningún disco puede situarse sobre otro de menor tamaño. El problema consiste en colocar los N discos en el poste C.

Los postes se pueden representar mediante el siguiente tipo de datos

   data Poste = A | B | C
     deriving Show

Definir las funciones

   movimientos :: Integer -> [(Integer,Poste,Poste)]
   hanoi       :: Integer -> IO ()

tales que

  • (movimientos n) es la lista de los movimientos para resolver el problema de las torres de hanoi con n discos. Por ejemplo,
     λ> movimientos 1
     [(1,A,C)]
     λ> movimientos 2
     [(1,A,B),(2,A,C),(1,B,C)]
     λ> movimientos 3
     [(1,A,C),(2,A,B),(1,C,B),(3,A,C),(1,B,A),(2,B,C),(1,A,C)]
  • (hanoi n) escribe los mensajes de los movimientos para resolver el problema de las torres de hanoi con n discos. Por ejemplo,
     λ> hanoi 3
     Mueve el disco 1 de A a C
     Mueve el disco 2 de A a B
     Mueve el disco 1 de C a B
     Mueve el disco 3 de A a C
     Mueve el disco 1 de B a A
     Mueve el disco 2 de B a C
     Mueve el disco 1 de A a C

Soluciones

data Poste = A | B | C
  deriving (Eq, Show)
 
movimientos :: Integer -> [(Integer,Poste,Poste)]
movimientos n = aux n A B C
  where  
    aux n a b c
      | n == 1    = [(1,a,c)]
      | otherwise = aux (n-1) a c b ++ (n,a,c) : aux (n-1) b a c
 
hanoi :: Integer -> IO ()
hanoi n = 
  putStrLn (unlines (map mensaje (movimientos n)))
 
-- (mensaje (n.x.y)) es la cadena indicando que el disco n se ha movido
-- desde el poste x al poste y. Por ejemplo, 
--    λ> mensaje (1,A,B)
--    "Mueve el disco 1 de A a B"
mensaje :: (Integer,Poste,Poste) -> String
mensaje (n,x,y) =
  "Mueve el disco " ++ show n ++ " de " ++ show x ++ " a " ++ show y

Pensamiento

En preguntar lo que sabes
el tiempo no has de perder …
Y a preguntas sin respuesta
¿quién te podrá responder?

Antonio Machado

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Hojas con caminos no decrecientes

José A. Alonso, ,

Los árboles se pueden representar mediante el siguiente tipo de datos

   data Arbol = N Int [Arbol]
     deriving Show

Por ejemplo, los árboles

         1             1             1  
        /  \          / \           / \ 
       /    \        8   3         8   3
      2      6          /|\       /|\  |
     / \    / \        4 2 6     4 5 6 2
    4   5  5   7

se representan por

   ej1, ej2, ej3 :: Arbol
   ej1 = N 1 [N 2 [N 4 [], N 5 []], N 6 [N 5 [], N 7 []]]
   ej2 = N 1 [N 8 [], N 3 [N 4 [], N 2 [], N 6 []]]
   ej3 = N 1 [N 8 [N 4 [], N 5 [], N 6 []], N 3 [N 2 []]]

Definir la función

   hojasEnNoDecreciente :: Arbol -> [Int]

tal que (hojasEnNoDecreciente a) es el conjunto de las hojas de a que se encuentran en alguna rama no decreciente. Por ejemplo,

   hojasEnNoDecreciente ej1  ==  [4,5,7]
   hojasEnNoDecreciente ej2  ==  [4,6,8]
   hojasEnNoDecreciente ej3  ==  []

Soluciones

import Data.List (sort, nub)
 
data Arbol = N Int [Arbol]
  deriving Show
 
ej1, ej2, ej3 :: Arbol
ej1 = N 1 [N 2 [N 4 [], N 5 []], N 6 [N 5 [], N 7 []]]
ej2 = N 1 [N 8 [], N 3 [N 4 [], N 2 [], N 6 []]]
ej3 = N 1 [N 8 [N 4 [], N 5 [], N 6 []], N 3 [N 2 []]]
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
hojasEnNoDecreciente :: Arbol -> [Int]
hojasEnNoDecreciente a =
  sort (nub (map last (ramasNoDecrecientes a)))
 
--    ramasNoDecrecientes ej1  ==  [[1,2,4],[1,2,5],[1,6,7]]
--    ramasNoDecrecientes ej2  ==  [[1,8],[1,3,4],[1,3,6]]
--    ramasNoDecrecientes ej3  ==  []
ramasNoDecrecientes :: Arbol -> [[Int]]
ramasNoDecrecientes a =
  filter esNoDecreciente (ramas a)
 
-- (ramas a) es la lista de las ramas del árbol a. Por ejemplo,
--    λ> ramas ej1
--    [[1,2,4],[1,2,5],[1,6,5],[1,6,7]]
--    λ> ramas ej2
--    [[1,8],[1,3,4],[1,3,2],[1,3,6]]
--    λ> ramas ej3
--    [[1,8,4],[1,8,5],[1,8,6],[1,3,2]]
ramas :: Arbol -> [[Int]]
ramas (N x []) = [[x]]
ramas (N x as) = map (x:) (concatMap ramas as)
 
-- (esNoDecreciente xs) se verifica si la lista xs es no
-- decreciente. Por ejemplo, 
--    esNoDecreciente [1,3,3,5]  ==  True
--    esNoDecreciente [1,3,5,3]  ==  False
esNoDecreciente :: [Int] -> Bool
esNoDecreciente xs =
  and (zipWith (<=) xs (tail xs))
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
--    hojasEnNoDecreciente ej1  ==  [4,5,7]
--    hojasEnNoDecreciente ej2  ==  [4,6,8]
--    hojasEnNoDecreciente ej3  ==  []
hojasEnNoDecreciente2 :: Arbol -> [Int]
hojasEnNoDecreciente2 = sort . nub . aux
  where
    aux (N x []) = [x]
    aux (N x as) = concat [aux (N y bs) | (N y bs) <- as, x <= y]

Pensamiento

Para dialogar,
preguntad, primero;
después … escuchad.

Antonio Machado

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