Sumas de cuatro cuadrados

   42 = 16 + 16 + 9 + 1 = 4² + 4² + 3² + 1²

   sumas4Cuadrados :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer,Integer)]
   graficaNumeroSumas4Cuadrados :: Integer -> IO ()

     sumas4Cuadrados 42  ==  [(16,16,9,1),(25,9,4,4),(36,4,1,1)]
     sumas4Cuadrados 14  ==  []
     length (sumas4Cuadrados (5*10^4))  ==  260

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- 1ª definición de sumas4Cuadrados
-- ================================
 
sumas4Cuadrados :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer,Integer)]
sumas4Cuadrados n =
  [(a^2,b^2,c^2,d) | a <- [1..n]
                   , b <- [a..n]
                   , c <- [b..n]
                   , let d = n - a^2 - b^2 - c^2
                   , c^2 <= d 
                   , esCuadrado d]
 
-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = x == y * y
  where y = raiz x
 
-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz 25  ==  5
--    raiz 24  ==  4
--    raiz 26  ==  5
raiz :: Integer -> Integer
raiz x = floor (sqrt (fromIntegral x))
 
-- 2ª definición de sumas4Cuadrados
-- ================================
 
-- Los intervalos de búqueda en la definición anterior se pueden reducir
-- teniendo en cuenta las siguientes restricciones
--    1 <= a <= b <= c <= d 
--    n = a² + b² + c² + d² >= 4a² ==> a <= sqrt (n/4)
--    n - a² = b² + c² + d² >= 3b² ==> b <= sqrt ((n-a²)/3)
--    n - a² - b² = c² + d² >= 2c² ==> c <= sqrt ((n-a²-b²)/2)
 
sumas4Cuadrados2 :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer,Integer)]
sumas4Cuadrados2 n =
  [(a^2,b^2,c^2,d) | a <- [1 .. floor (sqrt (fromIntegral n / 4))]
                   , b <- [a .. floor (sqrt (fromIntegral (n-a^2) / 3))]
                   , c <- [b .. floor (sqrt (fromIntegral (n-a^2-b^2) / 2))]
                   , let d = n - a^2 - b^2 - c^2
                   , c^2 <= d 
                   , esCuadrado d]
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comprobación es
--    λ> length (sumas4Cuadrados 300)
--    11
--    (7.93 secs, 11,280,814,312 bytes)
--    λ> length (sumas4Cuadrados2 300)
--    11
--    (0.01 secs, 901,520 bytes)
 
-- Definición de graficaConvergencia
-- ==================================
 
graficaNumeroSumas4Cuadrados :: Integer -> IO ()
graficaNumeroSumas4Cuadrados n =
  plotList [ Key Nothing
           , Title "Numero de sumas como 4 cuadrados"
           , PNG "Sumas_de_cuatro_cuadrados.png"
           ]
           [length (sumas4Cuadrados2 k) | k <- [0..n]] 
 
-- Definición de esSuma4Cuadrados
-- ==============================
 
-- (esSuma4Cuadrados n) se verifica si n es la suma de 4 cuadrados. Por
-- ejemplo, 
--    esSuma4Cuadrados 42  ==  True
--    esSuma4Cuadrados 11  ==  False
--    esSuma4Cuadrados 41  ==  False
esSuma4Cuadrados :: Integer -> Bool
esSuma4Cuadrados = not . null . sumas4Cuadrados2