Exercitium

Entre dos potencias sucesivas

PorJosé A. Alonso 3-febrero-202010-febrero-2020

Se dice que un número entero está entre potencias sucesivas de n si x-1 es una potencia n-ésima y x+1 es una potencia (n+1)-ésima; es decir, si existen a y b tales que x-1 es a^n y x+1 es b^(n+1). Por ejemplo,

 2 está entre potencias sucesivas de 0, ya que  1 =  1^0 y  3 = 3^1
15 está entre potencias sucesivas de 1, ya que 14 = 14^1 y 16 = 4^2
26 está entre potencias sucesivas de 2, ya que 25 =  5^2 y 27 = 3^3

2 está entre potencias sucesivas de 0, ya que 1 = 1^0 y 3 = 3^1

15 está entre potencias sucesivas de 1, ya que 14 = 14^1 y 16 = 4^2

26 está entre potencias sucesivas de 2, ya que 25 = 5^2 y 27 = 3^3

Definir las funciones

   entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool
   pares :: [(Integer,Integer)]
   paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]

entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool

pares :: [(Integer,Integer)]

paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]

tales que

(entrePotencias n x) se verifica si x está entre potencias sucesivas de n. Por ejemplo,

     entrePotencias 0 2   ==  True
     entrePotencias 1 15  ==  True
     entrePotencias 2 26  ==  True

entrePotencias 0 2 == True

entrePotencias 1 15 == True

entrePotencias 2 26 == True

pares es la lista de los números enteros ordenados por su suma y primer elemento. Por ejemplo,

     λ> take 11 pares
     [(0,0),(0,1),(1,0),(0,2),(1,1),(2,0),(0,3),(1,2),(2,1),(3,0),(0,4)]

1 2	λ> take 11 pares [(0,0),(0,1),(1,0),(0,2),(1,1),(2,0),(0,3),(1,2),(2,1),(3,0),(0,4)]

paresEntrePotencias es la lista de los pares (n,x) tales que x está entre potencias sucesivas de n. Por ejemplo,

     λ> take 10 paresEntrePotencias
     [(1,0),(0,2),(1,3),(1,8),(1,15),(1,24),(2,26),(1,35),(1,48),(1,63)]

1 2	λ> take 10 paresEntrePotencias [(1,0),(0,2),(1,3),(1,8),(1,15),(1,24),(2,26),(1,35),(1,48),(1,63)]

Comprobar con QuickCheck que 26 es el único número que está entre potencias sucesivas con exponentes mayor que 1; es decir, que el único par (n,x) tal que x está entre potencias sucesivas de n con n mayor que uno es el (2,26).

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Rebeca Isabel González Gordillo y está basado en el artículo El número 26 … ¡un número especial! de Amadeo Artacho en MatematicasCercanas.

Soluciones

import Test.QuickCheck

entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool
entrePotencias n x = esPotencia n (x-1) && esPotencia (n+1) (x+1)

-- (esPotencia n x) se verifica si x es una potencia n-ésima. Por
-- ejemplo, 
--    esPotencia 3 27  ==  True
--    esPotencia 3 25  ==  False
esPotencia :: Integer -> Integer -> Bool
esPotencia n x = x == r^n
  where r = ceiling ((fromIntegral x)**(1/fromIntegral n))

pares :: [(Integer,Integer)]
pares = [(x,n-x) | n <- [0..], x <- [0..n]]

paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]
paresEntrePotencias =
  [(n,x) | (n,x) <- pares
         , entrePotencias n x]

prop_entrePotencias :: Integer -> Integer -> Property
prop_entrePotencias n x =
  n > 1 ==> entrePotencias n x == ((n,x) == (2,26))

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_entrePotencias
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Test.QuickCheck

entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool

entrePotencias n x = esPotencia n (x-1) && esPotencia (n+1) (x+1)

-- (esPotencia n x) se verifica si x es una potencia n-ésima. Por

-- ejemplo,

-- esPotencia 3 27 == True

-- esPotencia 3 25 == False

esPotencia :: Integer -> Integer -> Bool

esPotencia n x = x == r^n

where r = ceiling ((fromIntegral x)**(1/fromIntegral n))

pares :: [(Integer,Integer)]

pares = [(x,n-x) | n <- [0..], x <- [0..n]]

paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]

paresEntrePotencias =

[(n,x) | (n,x) <- pares

, entrePotencias n x]

prop_entrePotencias :: Integer -> Integer -> Property

prop_entrePotencias n x =

n > 1 ==> entrePotencias n x == ((n,x) == (2,26))

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_entrePotencias

-- +++ OK, passed 100 tests.

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>

Pensamiento

«El verdadero objetivo de la ciencia es el honor de la mente humana.»

Carl Gustav Jacob Jacobi

Acotación del primorial

PorJosé A. Alonso 31-enero-20207-febrero-2020

El primorial de un número natural n es el producto de todos los números primos menores o iguales a n. Por ejemplo, el primorial de 5 es 30 porque el producto de los primos menores o iguales que 5 es

   2 * 3 * 5 = 30

1	2 * 3 * 5 = 30

La propiedad de Erdös de acotación de los primoriales afirma que

Para todo número natural n, su primorial es menor o igual que 4ⁿ.

Definir las funciones

   primorial :: Integer -> Integer
   primoriales :: [Integer]

1 2	primorial :: Integer -> Integer primoriales :: [Integer]

tales que

(primorial n) es el primorial de n. Por ejemplo,

     primorial 3  ==  6
     primorial 5  ==  30
     primorial 8  ==  210

primorial 3 == 6

primorial 5 == 30

primorial 8 == 210

primoriales es la sucesión de los primoriales. Por ejemplo,

   λ> take 15 primoriales
   [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

1 2	λ> take 15 primoriales [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

Comprobar con QuickCheck la propiedad de Erdös de acotación de los primoriales.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de primorial
-- ==========================

primorial :: Integer -> Integer
primorial n = product (takeWhile (<= n) primes)

-- 2ª definición de primorial
-- ==========================

primorial2 :: Integer -> Integer
primorial2 0 = 1
primorial2 n | gcd n x == 1 = n*x
             | otherwise    = x
  where x = primorial2 (n-1)

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

--    λ> length (show (primorial (5*10^5)))
--    216852
--    (1.65 secs, 2,472,977,584 bytes)
--    λ> length (show (primorial2 (5*10^5)))
--    216852
--    (3.56 secs, 2,719,162,272 bytes)

-- 1ª definición de primoriales
-- ============================

--    λ> take 15 primoriales
--    [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]
primoriales :: [Integer]
primoriales = map primorial [0..]

-- 2ª definición de primoriales
-- ============================

--    λ> take 15 primoriales2
--    [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]
primoriales2 :: [Integer]
primoriales2 = map primorial2 [0..]

-- 3ª definición de primoriales
-- ============================

--    λ> take 15 primoriales3
--    [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]
primoriales3 :: [Integer]
primoriales3 = scanl1 f [1..]
  where f x n | gcd n x == 1 = n*x
              | otherwise    = x

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

--    λ> minimum (take 5000 primoriales)
--    1
--    (1.56 secs, 4,857,760,464 bytes)
--    λ> minimum (take 5000 primoriales2)
--    1
--    (9.39 secs, 10,942,848,240 bytes)
--    λ> minimum (take 5000 primoriales3)
--    1
--    (0.01 secs, 5,575,024 bytes)
--    
--    λ> minimum (take 6000 primoriales)
--    1
--    (2.22 secs, 7,013,937,248 bytes)
--    λ> minimum (take 6000 primoriales3)
--    1
--    (0.01 secs, 6,737,328 bytes)

-- Propiedad
-- =========

prop_primorial :: Integer -> Property
prop_primorial n =
  n >= 0 ==> primorial n <= 4^n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_primorial
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.Numbers.Primes

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de primorial

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

primorial :: Integer -> Integer

primorial n = product (takeWhile (<= n) primes)

-- 2ª definición de primorial

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

primorial2 :: Integer -> Integer

primorial2 0 = 1

primorial2 n | gcd n x == 1 = n*x

| otherwise = x

where x = primorial2 (n-1)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> length (show (primorial (5*10^5)))

-- 216852

-- (1.65 secs, 2,472,977,584 bytes)

-- λ> length (show (primorial2 (5*10^5)))

-- 216852

-- (3.56 secs, 2,719,162,272 bytes)

-- 1ª definición de primoriales

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

-- λ> take 15 primoriales

-- [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

primoriales :: [Integer]

primoriales = map primorial [0..]

-- 2ª definición de primoriales

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

-- λ> take 15 primoriales2

-- [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

primoriales2 :: [Integer]

primoriales2 = map primorial2 [0..]

-- 3ª definición de primoriales

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

-- λ> take 15 primoriales3

-- [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

primoriales3 :: [Integer]

primoriales3 = scanl1 f [1..]

where f x n | gcd n x == 1 = n*x

| otherwise = x

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> minimum (take 5000 primoriales)

-- 1

-- (1.56 secs, 4,857,760,464 bytes)

-- λ> minimum (take 5000 primoriales2)

-- 1

-- (9.39 secs, 10,942,848,240 bytes)

-- λ> minimum (take 5000 primoriales3)

-- 1

-- (0.01 secs, 5,575,024 bytes)

-- λ> minimum (take 6000 primoriales)

-- 1

-- (2.22 secs, 7,013,937,248 bytes)

-- λ> minimum (take 6000 primoriales3)

-- 1

-- (0.01 secs, 6,737,328 bytes)

-- Propiedad

-- =========

prop_primorial :: Integer -> Property

prop_primorial n =

n >= 0 ==> primorial n <= 4^n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_primorial

-- +++ OK, passed 100 tests.

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>

Pensamiento

«Las matemáticas son la reina de las ciencias y la teoría de los números es la reina de las matemáticas.»

Carl Friedrich Gauss.

Longitud de la parte periódica

PorJosé A. Alonso 30-enero-202026-marzo-2022

La propiedad de la longitud de la parte periódica afirma que

Si p es un número primo distinto de 2 y de 5, entonces la longitud del período de 1/p es el menor entero positivo n tal que p divide a $10^n - 1$ .

El objetivo de este ejercicio es la verificación de dicha propiedad.

Las fracciones se representan por un par de enteros. Por ejemplo, el número 2/3 se representa por (2,3). Su tipo es

   type Fraccion = (Integer,Integer)

1	type Fraccion = (Integer,Integer)

Los números decimales se representan por ternas, donde el primer elemento es la parte entera, el segundo es el anteperíodo y el tercero es el período. Por ejemplo,

 6/2  = 3                  se representa por (3,[],[])
 1/2  = 0.5                se representa por (0,[5],[])
 1/3  = 0.333333...        se representa por (0,[],[3])  
23/14 = 1.6428571428571... se representa por (1,[6],[4,2,8,5,7,1])

6/2 = 3 se representa por (3,[],[])

1/2 = 0.5 se representa por (0,[5],[])

1/3 = 0.333333... se representa por (0,[],[3])

23/14 = 1.6428571428571... se representa por (1,[6],[4,2,8,5,7,1])

Su tipo es

   type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

1	type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

Definir, usando las funciones cocientesRestos y primerRepetido de los ejercicios anteriores, las funciones

   decimal :: Fraccion -> Decimal
   longitudPeriodo :: Fraccion -> Integer

1 2	decimal :: Fraccion -> Decimal longitudPeriodo :: Fraccion -> Integer

tales que

(decimal f) es la representación decimal de la fracción f. Por ejemplo,

     decimal (6,2)          ==  (3,[],[])
     decimal (3,4)          ==  (0,[7,5],[])
     decimal (1,3)          ==  (0,[],[3])
     decimal (23,14)        ==  (1,[6],[4,2,8,5,7,1])
     decimal (247813,19980) ==  (12,[4,0],[3,0,5])
     decimal (1,101)        ==  (0,[],[0,0,9,9])

decimal (6,2) == (3,[],[])

decimal (3,4) == (0,[7,5],[])

decimal (1,3) == (0,[],[3])

decimal (23,14) == (1,[6],[4,2,8,5,7,1])

decimal (247813,19980) == (12,[4,0],[3,0,5])

decimal (1,101) == (0,[],[0,0,9,9])

(longitudPeriodo f) es la longitud de la parte periódica de la representación decimal de la fracción f. Por ejemplo,

     longitudPeriodo (6,2)           ==  0
     longitudPeriodo (3,4)           ==  0
     longitudPeriodo (1,3)           ==  1
     longitudPeriodo (23,14)         ==  6
     longitudPeriodo (247813,19980)  ==  3
     longitudPeriodo (1,101)         ==  4
     longitudPeriodo (1,1229)        ==  1228

longitudPeriodo (6,2) == 0

longitudPeriodo (3,4) == 0

longitudPeriodo (1,3) == 1

longitudPeriodo (23,14) == 6

longitudPeriodo (247813,19980) == 3

longitudPeriodo (1,101) == 4

longitudPeriodo (1,1229) == 1228

Comprobar con QuickCheck la propiedad de la longitud de la parte periódica; es decir, k es un número natural distinto de 0 y 2 y p es el primo k-ésimo, entonces la longitud del período de 1/p es el menor entero positivo n tal que p divide a $10^n - 1$ ..

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck

type Fraccion = (Integer,Integer)
type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

decimal :: Fraccion -> Decimal
decimal (n,d) 
  | snd y == 0 = (fst x, map fst xs, [])
  | otherwise  = (fst x, map fst xs, map fst (y:zs))
  where
    qrs         = cocientesRestos (n,d)
    Just (q,r)  = primerRepetido qrs
    (x:xs,y:ys) = break (==(q,r)) qrs
    zs          = takeWhile (/=(q,r)) ys

cocientesRestos :: Fraccion -> [(Integer,Integer)]
cocientesRestos (n,d) =
  (q,r) : cocientesRestos (10*r, d)
  where (q,r) = quotRem n d

primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a
primerRepetido xs = aux xs []
  where
    aux [] _                     = Nothing
    aux (x:xs') ys | x `elem` ys = Just x
                   | otherwise   = aux xs' (x:ys) 

longitudPeriodo :: Fraccion -> Int
longitudPeriodo (n,d) = length xs
  where (_,_,xs) = decimal (n,d)

-- La propiedad es
prop_LongitudPeriodo :: Int -> Property
prop_LongitudPeriodo k =
  k > 0 && k /= 2 
  ==>
  longitudPeriodo (1,p) ==
  head [n | n <- [1..], (10^n-1) `mod` p == 0]
  where p = primes !! k

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_LongitudPeriodo
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.Numbers.Primes

import Test.QuickCheck

type Fraccion = (Integer,Integer)

type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

decimal :: Fraccion -> Decimal

decimal (n,d)

| snd y == 0 = (fst x, map fst xs, [])

| otherwise = (fst x, map fst xs, map fst (y:zs))

where

qrs = cocientesRestos (n,d)

Just (q,r) = primerRepetido qrs

(x:xs,y:ys) = break (==(q,r)) qrs

zs = takeWhile (/=(q,r)) ys

cocientesRestos :: Fraccion -> [(Integer,Integer)]

cocientesRestos (n,d) =

(q,r) : cocientesRestos (10*r, d)

where (q,r) = quotRem n d

primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a

primerRepetido xs = aux xs []

where

aux [] _ = Nothing

aux (x:xs') ys | x `elem` ys = Just x

| otherwise = aux xs' (x:ys)

longitudPeriodo :: Fraccion -> Int

longitudPeriodo (n,d) = length xs

where (_,_,xs) = decimal (n,d)

-- La propiedad es

prop_LongitudPeriodo :: Int -> Property

prop_LongitudPeriodo k =

k > 0 && k /= 2

==>

longitudPeriodo (1,p) ==

head [n | n <- [1..], (10^n-1) `mod` p == 0]

where p = primes !! k

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_LongitudPeriodo

-- +++ OK, passed 100 tests.

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>

Pensamiento

«En el desarrollo de la comprensión de los fenómenos complejos, la herramienta más poderosa de que dispone el intelecto humano es la abstracción. La abstracción surge del reconocimiento de las similitudes entre ciertos objetos, situaciones o procesos en el mundo real y de la decisión de concentrarse en estas similitudes e ignorar, por el momento, sus diferencias.»

Tony Hoare

Cocientes y restos de la transformación decimal

PorJosé A. Alonso 29-enero-20205-febrero-2020

La transformación de una fracción en un número decimal se realiza mediante una sucesión de divisiones. Por ejemplo, para transformar a decimal la fracción

   247813    |19980
  -19980     ---------------
  -------     12.40305305...
    48013
   -39960
   ------
     80530
    -79920
    ------
       6100
      -   0
      -----
       61000
      -59940
      ------
        10600
       -    0
       ------
        106000
       - 99900
       -------
          61000
          -59940
          ------
           10600
          -    0
          ------
          106000
         - 99900
         -------
           61000

247813 |19980

-19980 ---------------

------- 12.40305305...

48013

-39960

------

80530

-79920

------

6100

- 0

-----

61000

-59940

------

10600

- 0

------

106000

- 99900

-------

61000

-59940

------

10600

- 0

------

106000

- 99900

-------

61000

La transformación anterior se puede representar mediante la siguiente lista de cocientes y restos

   [(12,8053),(4,610),(0,6100),(3,1060),(0,10600),(5,6100),
                               (3,1060),(0,10600),(5,6100)]

1 2	[(12,8053),(4,610),(0,6100),(3,1060),(0,10600),(5,6100), (3,1060),(0,10600),(5,6100)]

Definir la función

   cocientesRestos :: (Integer,Integer) -> [(Integer,Integer)]

1	cocientesRestos :: (Integer,Integer) -> [(Integer,Integer)]

tal que (cocientesRestos (n,d)) es la lista de los cocientes y restos de la transformación decimal de la fracción n/d como se ha indicado anteriormente. Por ejemplo,

   λ> take 9 (cocientesRestos (247813,19980))
   [(12,8053),(4,610),(0,6100),(3,1060),(0,10600),(5,6100),
                               (3,1060),(0,10600),(5,6100)]
   λ> take 10 (cocientesRestos (6,2))
   [(3,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0)]
   λ> take 10 (cocientesRestos (1,2))
   [(0,1),(5,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0)]
   λ> take 10 (cocientesRestos (1,3))
   [(0,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1)]
   λ> take 10 (cocientesRestos (23,14))
   [(1,9),(6,6),(4,4),(2,12),(8,8),(5,10),(7,2),(1,6),(4,4),(2,12)]

λ> take 9 (cocientesRestos (247813,19980))

[(12,8053),(4,610),(0,6100),(3,1060),(0,10600),(5,6100),

(3,1060),(0,10600),(5,6100)]

λ> take 10 (cocientesRestos (6,2))

[(3,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0)]

λ> take 10 (cocientesRestos (1,2))

[(0,1),(5,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0),(0,0)]

λ> take 10 (cocientesRestos (1,3))

[(0,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1),(3,1)]

λ> take 10 (cocientesRestos (23,14))

[(1,9),(6,6),(4,4),(2,12),(8,8),(5,10),(7,2),(1,6),(4,4),(2,12)]

Soluciones

cocientesRestos :: (Integer,Integer) -> [(Integer,Integer)]
cocientesRestos (n,d) =
  (q,r) : cocientesRestos (10*r, d)
  where (q,r) = quotRem n d

cocientesRestos :: (Integer,Integer) -> [(Integer,Integer)]

cocientesRestos (n,d) =

(q,r) : cocientesRestos (10*r, d)

where (q,r) = quotRem n d

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>

Pensamiento

«Hay dos maneras de diseñar un software. Una forma es hacerlo tan simple que obviamente no haya deficiencias. Y la otra forma es hacerlo tan complicado que no haya deficiencias obvias.»

Tony Hoare.

Primer elemento repetido

PorJosé A. Alonso 28-enero-202026-marzo-2022

Definir la función

   primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a

1	primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a

tal que (primerRepetido xs) es justo el primer elemento repetido de la lista xs o Nothing si no tiene elementos repetidos. Por ejemplo,

   primerRepetido [3,7,5,7,2]  ==  Just 7
   primerRepetido [3,9,5,6,2]  ==  Nothing

1 2	primerRepetido [3,7,5,7,2] == Just 7 primerRepetido [3,9,5,6,2] == Nothing

Soluciones

primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a
primerRepetido xs = aux xs []
  where
    aux [] _                     = Nothing
    aux (x:xs') ys | x `elem` ys = Just x
                   | otherwise   = aux xs' (x:ys)

primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a

primerRepetido xs = aux xs []

where

aux [] _ = Nothing

aux (x:xs') ys | x `elem` ys = Just x

| otherwise = aux xs' (x:ys)

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>

Pensamiento

«¿Cuál es el núcleo central de la ciencia de la computación? ¿Qué es lo que lo diferencia de los otros temas con los que se relaciona? ¿Qué es lo que el hilo de unión que reúne estas ramas dispares en una sola disciplina? Mi respuesta a estas preguntas es simple: es el arte de programar un ordenador. Es el arte de diseñar métodos eficientes y elegantes para conseguir que un ordenador resuelva problemas, teóricos o prácticos, pequeños o grandes, simples o complejos. Es el arte de traducir estos diseños programas correctos y eficientes.»

Tony Hoare.

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