Pares definidos por su MCD y su MCM

Definir las siguientes funciones

   pares  :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]
   nPares :: Integer -> Integer -> Integer

1 2	pares :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)] nPares :: Integer -> Integer -> Integer

tales que

(pares a b) es la lista de los pares de números enteros positivos tales que su máximo común divisor es a y su mínimo común múltiplo es b. Por ejemplo,

     pares 3 3  == [(3,3)]
     pares 4 12 == [(4,12),(12,4)]
     pares 2 12 == [(2,12),(4,6),(6,4),(12,2)]
     pares 2 60 == [(2,60),(4,30),(6,20),(10,12),(12,10),(20,6),(30,4),(60,2)]
     pares 2 7  == []
     pares 12 3  ==  []
     length (pares 3 (product [3,5..91]))  ==  8388608

pares 3 3 == [(3,3)]

pares 4 12 == [(4,12),(12,4)]

pares 2 12 == [(2,12),(4,6),(6,4),(12,2)]

pares 2 60 == [(2,60),(4,30),(6,20),(10,12),(12,10),(20,6),(30,4),(60,2)]

pares 2 7 == []

pares 12 3 == []

length (pares 3 (product [3,5..91])) == 8388608

(nPares a b) es el número de pares de enteros positivos tales que su máximo común divisor es a y su mínimo común múltiplo es b. Por ejemplo,

     nPares 3 3   ==  1
     nPares 4 12  ==  2
     nPares 2 12  ==  4
     nPares 2 60  ==  8
     nPares 2 7   ==  0
     nPares 12 3  ==  0
     nPares 3 (product [3..3*10^4]) `mod` (10^12)  ==  477999992832
     length (show (nPares 3 (product [3..3*10^4])))  ==  977

nPares 3 3 == 1

nPares 4 12 == 2

nPares 2 12 == 4

nPares 2 60 == 8

nPares 2 7 == 0

nPares 12 3 == 0

nPares 3 (product [3..3*10^4]) `mod` (10^12) == 477999992832

length (show (nPares 3 (product [3..3*10^4]))) == 977

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
import Data.List (genericLength, group, nub, sort, subsequences)
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de pares
-- ======================

pares1 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]
pares1 a b = [(x,y) | x <- [1..b]
                    , y <- [1..b]
                    , gcd x y == a
                    , lcm x y == b]

-- 2ª definición de pares
-- ======================

pares2 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]
pares2 a b = [(x,y) | x <- [a,a+a..b]
                    , y <- [a,a+a..b]
                    , gcd x y == a
                    , lcm x y == b]

-- Comparación de eficiencia
--    λ> length (pares1 3 (product [3,5..11]))
--    16
--    (95.12 secs, 86,534,165,528 bytes)
--    λ> length (pares2 3 (product [3,5..11]))
--    16
--    (15.80 secs, 14,808,762,128 bytes)

-- 3ª definición de pares
-- ======================

pares3 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]
pares3 a b = [(x,y) | x <- [a,a+a..b]
                    , c `rem` x == 0
                    , let y = c `div` x
                    , gcd x y == a
                    ]
  where c = a * b

-- Comparacioń de eficiencia
--    λ> length (pares2 3 (product [3,5..11]))
--    16
--    (15.80 secs, 14,808,762,128 bytes)
--    λ> length (pares3 3 (product [3,5..11]))
--    16
--    (0.01 secs, 878,104 bytes)

-- 4ª definición de pares
-- ======================

-- Para la cuarta definición de pares se observa la relación con los
-- factores primos
--    λ> [(primeFactors x, primeFactors y) | (x,y) <- pares1 2 12]
--    [([2],[2,2,3]),([2,2],[2,3]),([2,3],[2,2]),([2,2,3],[2])]
--    λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 2 12]
--    [[2],[2,2],[2,3],[2,2,3]]
--    λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 2 60]
--    [[2],[2,2],[2,3],[2,5],[2,2,3],[2,2,5],[2,3,5],[2,2,3,5]]
--    λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 6 60]
--    [[2,3],[2,2,3],[2,3,5],[2,2,3,5]]
--    λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 2 24]
--    [[2],[2,3],[2,2,2],[2,2,2,3]]
-- Se observa que cada pares se obtiene de uno de los subconjuntos de los
-- divisores primos de b/a. Por ejemplo,
--    λ> (a,b) = (2,24)
--    λ> b `div` a
--    12
--    λ> primeFactors it
--    [2,2,3]
--    λ> group it
--    [[2,2],[3]]
--    λ> subsequences it
--    [[],[[2,2]],[[3]],[[2,2],[3]]]
--    λ> map concat it
--    [[],[2,2],[3],[2,2,3]]
--    λ> map product it
--    [1,4,3,12]
--    λ> [(a * x, b `div` x) | x <- it]
--    [(2,24),(8,6),(6,8),(24,2)]
-- A partir de la observación se construye la siguiente definición

pares4 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]
pares4 a b
  | b `mod` a /= 0 = []
  | otherwise =
    [(a * x, b `div` x)
    | x <- map (product . concat)
               ((subsequences . group . primeFactors) (b `div` a))]

-- Nota. La función pares4 calcula el mismo conjunto que las anteriores,
-- pero no necesariamente en el mismo orden. Por ejemplo,
--    λ> pares3 2 60 
--    [(2,60),(4,30),(6,20),(10,12),(12,10),(20,6),(30,4),(60,2)]
--    λ> pares4 2 60 
--    [(2,60),(4,30),(6,20),(12,10),(10,12),(20,6),(30,4),(60,2)]
--    λ> pares3 2 60 == sort (pares4 2 60)
--    True

-- Comparacioń de eficiencia
--    λ> length (pares3 3 (product [3,5..17]))
--    64
--    (4.44 secs, 2,389,486,440 bytes)
--    λ> length (pares4 3 (product [3,5..17]))
--    64
--    (0.00 secs, 177,704 bytes)
  
-- Propiedades de equivalencia de pares
-- ====================================

prop_pares :: Integer -> Integer -> Property
prop_pares a b =
  a > 0 && b > 0 ==>
  all (== pares1 a b)
      [sort (f a b) | f <- [ pares2
                           , pares3
                           , pares4
                           ]]
  
prop_pares2 :: Integer -> Integer -> Property
prop_pares2 a b =
  a > 0 && b > 0 ==>
  all (== pares1 a (a * b))
      [sort (f a (a * b)) | f <- [ pares2
                                 , pares3
                                 , pares4
                                 ]]
  
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_pares
--    +++ OK, passed 100 tests.
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_pares
--    +++ OK, passed 100 tests.
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_pares2
--    +++ OK, passed 100 tests.
             
-- 1ª definición de nPares
-- =======================

nPares1 :: Integer -> Integer -> Integer
nPares1 a b = genericLength (pares4 a b)

-- 2ª definición de nPares
-- =======================

nPares2 :: Integer -> Integer -> Integer
nPares2 a b = 2^(length (nub (primeFactors (b `div` a))))

-- Comparación de eficiencia
--    λ> nPares1 3 (product [3,5..91])
--    8388608
--    (4.68 secs, 4,178,295,920 bytes)
--    λ> nPares2 3 (product [3,5..91])
--    8388608
--    (0.00 secs, 234,688 bytes)

-- Propiedad de equivalencia de nPares
-- ===================================

prop_nPares :: Integer -> Integer -> Property
prop_nPares a b =
  a > 0 && b > 0 ==>
  nPares1 a (a * b) == nPares2 a (a * b)
  
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_nPares
--    +++ OK, passed 100 tests.

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import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

import Data.List (genericLength, group, nub, sort, subsequences)

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de pares

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

pares1 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]

pares1 a b = [(x,y) | x <- [1..b]

, y <- [1..b]

, gcd x y == a

, lcm x y == b]

-- 2ª definición de pares

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

pares2 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]

pares2 a b = [(x,y) | x <- [a,a+a..b]

, y <- [a,a+a..b]

, gcd x y == a

, lcm x y == b]

-- Comparación de eficiencia

-- λ> length (pares1 3 (product [3,5..11]))

-- 16

-- (95.12 secs, 86,534,165,528 bytes)

-- λ> length (pares2 3 (product [3,5..11]))

-- 16

-- (15.80 secs, 14,808,762,128 bytes)

-- 3ª definición de pares

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

pares3 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]

pares3 a b = [(x,y) | x <- [a,a+a..b]

, c `rem` x == 0

, let y = c `div` x

, gcd x y == a

]

where c = a * b

-- Comparacioń de eficiencia

-- λ> length (pares2 3 (product [3,5..11]))

-- 16

-- (15.80 secs, 14,808,762,128 bytes)

-- λ> length (pares3 3 (product [3,5..11]))

-- 16

-- (0.01 secs, 878,104 bytes)

-- 4ª definición de pares

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

-- Para la cuarta definición de pares se observa la relación con los

-- factores primos

-- λ> [(primeFactors x, primeFactors y) | (x,y) <- pares1 2 12]

-- [([2],[2,2,3]),([2,2],[2,3]),([2,3],[2,2]),([2,2,3],[2])]

-- λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 2 12]

-- [[2],[2,2],[2,3],[2,2,3]]

-- λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 2 60]

-- [[2],[2,2],[2,3],[2,5],[2,2,3],[2,2,5],[2,3,5],[2,2,3,5]]

-- λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 6 60]

-- [[2,3],[2,2,3],[2,3,5],[2,2,3,5]]

-- λ> [primeFactors x | (x,y) <- pares1 2 24]

-- [[2],[2,3],[2,2,2],[2,2,2,3]]

-- Se observa que cada pares se obtiene de uno de los subconjuntos de los

-- divisores primos de b/a. Por ejemplo,

-- λ> (a,b) = (2,24)

-- λ> b `div` a

-- 12

-- λ> primeFactors it

-- [2,2,3]

-- λ> group it

-- [[2,2],[3]]

-- λ> subsequences it

-- [[],[[2,2]],[[3]],[[2,2],[3]]]

-- λ> map concat it

-- [[],[2,2],[3],[2,2,3]]

-- λ> map product it

-- [1,4,3,12]

-- λ> [(a * x, b `div` x) | x <- it]

-- [(2,24),(8,6),(6,8),(24,2)]

-- A partir de la observación se construye la siguiente definición

pares4 :: Integer -> Integer -> [(Integer,Integer)]

pares4 a b

| b `mod` a /= 0 = []

| otherwise =

[(a * x, b `div` x)

| x <- map (product . concat)

((subsequences . group . primeFactors) (b `div` a))]

-- Nota. La función pares4 calcula el mismo conjunto que las anteriores,

-- pero no necesariamente en el mismo orden. Por ejemplo,

-- λ> pares3 2 60

-- [(2,60),(4,30),(6,20),(10,12),(12,10),(20,6),(30,4),(60,2)]

-- λ> pares4 2 60

-- [(2,60),(4,30),(6,20),(12,10),(10,12),(20,6),(30,4),(60,2)]

-- λ> pares3 2 60 == sort (pares4 2 60)

-- True

-- Comparacioń de eficiencia

-- λ> length (pares3 3 (product [3,5..17]))

-- 64

-- (4.44 secs, 2,389,486,440 bytes)

-- λ> length (pares4 3 (product [3,5..17]))

-- 64

-- (0.00 secs, 177,704 bytes)

-- Propiedades de equivalencia de pares

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

prop_pares :: Integer -> Integer -> Property

prop_pares a b =

a > 0 && b > 0 ==>

all (== pares1 a b)

[sort (f a b) | f <- [ pares2

, pares3

, pares4

]]

prop_pares2 :: Integer -> Integer -> Property

prop_pares2 a b =

a > 0 && b > 0 ==>

all (== pares1 a (a * b))

[sort (f a (a * b)) | f <- [ pares2

, pares3

, pares4

]]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_pares

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_pares

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_pares2

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- 1ª definición de nPares

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

nPares1 :: Integer -> Integer -> Integer

nPares1 a b = genericLength (pares4 a b)

-- 2ª definición de nPares

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

nPares2 :: Integer -> Integer -> Integer

nPares2 a b = 2^(length (nub (primeFactors (b `div` a))))

-- Comparación de eficiencia

-- λ> nPares1 3 (product [3,5..91])

-- 8388608

-- (4.68 secs, 4,178,295,920 bytes)

-- λ> nPares2 3 (product [3,5..91])

-- 8388608

-- (0.00 secs, 234,688 bytes)

-- Propiedad de equivalencia de nPares

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

prop_nPares :: Integer -> Integer -> Property

prop_nPares a b =

a > 0 && b > 0 ==>

nPares1 a (a * b) == nPares2 a (a * b)

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_nPares

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Largo es el camino de la enseñanza por medio de teorías; breve y eficaz por medio de ejemplos. ~ Séneca

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