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Etiqueta: Árboles

Espacio de estados del problema de las N reinas

El problema de las N reinas consiste en colocar N reinas en tablero rectangular de dimensiones N por N de forma que no se encuentren más de una en la misma línea: horizontal, vertical o diagonal. Por ejemplo, una solución para el problema de las 4 reinas es

   |---|---|---|---|
   |   | R |   |   |
   |---|---|---|---|
   |   |   |   | R |
   |---|---|---|---|
   | R |   |   |   |
   |---|---|---|---|
   |   |   | R |   |
   |---|---|---|---|

Los estados del problema de las N reinas son los tableros con las reinas colocadas. Inicialmente el tablero está vacío y, en cda paso se coloca una reina en la primera columna en la que aún no hay ninguna reina.

Cada estado se representa por una lista de números que indican las filas donde se han colocado las reinas. Por ejemplo, el tablero anterior se representa por [2,4,1,3].

Usando la librería de árboles Data.Tree, definir las funciones

   arbolReinas :: Int -> Tree [Int]
   nEstados    :: Int -> Int
   soluciones  :: Int -> [[Int]]
   nSoluciones :: Int -> Int

tales que

  • (arbolReinas n) es el árbol de estados para el problema de las n reinas. Por ejemplo,
     λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 4)))
     []
     |
     +- [1]
     |  |
     |  +- [3,1]
     |  |
     |  `- [4,1]
     |     |
     |     `- [2,4,1]
     |
     +- [2]
     |  |
     |  `- [4,2]
     |     |
     |     `- [1,4,2]
     |        |
     |        `- [3,1,4,2]
     |
     +- [3]
     |  |
     |  `- [1,3]
     |     |
     |     `- [4,1,3]
     |        |
     |        `- [2,4,1,3]
     |
     `- [4]
        |
        +- [1,4]
        |  |
        |  `- [3,1,4]
        |
        `- [2,4]
 
     λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 5)))
     []
     |
     +- [1]
     |  |
     |  +- [3,1]
     |  |  |
     |  |  `- [5,3,1]
     |  |     |
     |  |     `- [2,5,3,1]
     |  |        |
     |  |        `- [4,2,5,3,1]
     |  |
     |  +- [4,1]
     |  |  |
     |  |  `- [2,4,1]
     |  |     |
     |  |     `- [5,2,4,1]
     |  |        |
     |  |        `- [3,5,2,4,1]
     |  |
     |  `- [5,1]
     |     |
     |     `- [2,5,1]
     |
     +- [2]
     |  |
     |  +- [4,2]
     |  |  |
     |  |  `- [1,4,2]
     |  |     |
     |  |     `- [3,1,4,2]
     |  |        |
     |  |        `- [5,3,1,4,2]
     |  |
     |  `- [5,2]
     |     |
     |     +- [1,5,2]
     |     |  |
     |     |  `- [4,1,5,2]
     |     |
     |     `- [3,5,2]
     |        |
     |        `- [1,3,5,2]
     |           |
     |           `- [4,1,3,5,2]
     |
     +- [3]
     |  |
     |  +- [1,3]
     |  |  |
     |  |  `- [4,1,3]
     |  |     |
     |  |     `- [2,4,1,3]
     |  |        |
     |  |        `- [5,2,4,1,3]
     |  |
     |  `- [5,3]
     |     |
     |     `- [2,5,3]
     |        |
     |        `- [4,2,5,3]
     |           |
     |           `- [1,4,2,5,3]
     |
     +- [4]
     |  |
     |  +- [1,4]
     |  |  |
     |  |  +- [3,1,4]
     |  |  |  |
     |  |  |  `- [5,3,1,4]
     |  |  |     |
     |  |  |     `- [2,5,3,1,4]
     |  |  |
     |  |  `- [5,1,4]
     |  |     |
     |  |     `- [2,5,1,4]
     |  |
     |  `- [2,4]
     |     |
     |     `- [5,2,4]
     |        |
     |        `- [3,5,2,4]
     |           |
     |           `- [1,3,5,2,4]
     |
     `- [5]
        |
        +- [1,5]
        |  |
        |  `- [4,1,5]
        |
        +- [2,5]
        |  |
        |  `- [4,2,5]
        |     |
        |     `- [1,4,2,5]
        |        |
        |        `- [3,1,4,2,5]
        |
        `- [3,5]
           |
           `- [1,3,5]
              |
              `- [4,1,3,5]
                 |
                 `- [2,4,1,3,5]
  • (nEstados n) es el número de estados en el problema de las n reinas. Por ejemplo,
     nEstados 4            ==  17
     nEstados 5            ==  54
     map nEstados [0..10]  ==  [1,2,3,6,17,54,153,552,2057,8394,35539]
  • (soluciones n) es la lista de estados que son soluciones del problema de las n reinas. Por ejemplo,
     λ> soluciones 4
     [[3,1,4,2],[2,4,1,3]]
     λ> soluciones 5
     [[4,2,5,3,1],[3,5,2,4,1],[5,3,1,4,2],[4,1,3,5,2],[5,2,4,1,3],
      [1,4,2,5,3],[2,5,3,1,4],[1,3,5,2,4],[3,1,4,2,5],[2,4,1,3,5]]
  • (nSoluciones n) es el número de soluciones del problema de las n reinas. Por ejemplo,
     nSoluciones 4            ==  2
     nSoluciones 5            ==  10
     map nSoluciones [0..10]  ==  [1,1,0,0,2,10,4,40,92,352,724]

Soluciones

import Data.List ((\\))
import Data.Tree
 
-- Definición de arbolReinas
-- =========================
 
arbolReinas :: Int -> Tree [Int]
arbolReinas n = expansion n []
  where
    expansion m xs = Node xs [expansion (m-1) ys | ys <- sucesores n xs]
 
-- (sucesores n xs) es la lista de los sucesores del estado xs en el
-- problema de las n reinas. Por ejemplo,
--    sucesores 4 []       ==  [[1],[2],[3],[4]]
--    sucesores 4 [1]      ==  [[3,1],[4,1]]
--    sucesores 4 [4,1]    ==  [[2,4,1]]
--    sucesores 4 [2,4,1]  ==  []
sucesores :: Int -> [Int] -> [[Int]]
sucesores n xs = [y:xs | y <- [1..n] \\ xs
                       , noAtaca y xs 1]
 
-- (noAtaca y xs d) se verifica si la reina en la fila y no ataca a las
-- colocadas en las filas xs donde d es el número de columnas desde la
-- de la posición de x a la primera de xs.
noAtaca :: Int -> [Int] -> Int -> Bool
noAtaca _ [] _ = True
noAtaca y (x:xs) distH = abs(y-x) /= distH &&
                         noAtaca y xs (distH + 1)               
 
-- Definición de nEstados
-- ======================
 
nEstados :: Int -> Int
nEstados = length . arbolReinas
 
-- Definición de solucionesReinas
-- ==============================
 
--    λ> soluciones 4
--    [[3,1,4,2],[2,4,1,3]]
--    λ> soluciones 5
--    [[4,2,5,3,1],[3,5,2,4,1],[5,3,1,4,2],[4,1,3,5,2],[5,2,4,1,3],
--     [1,4,2,5,3],[2,5,3,1,4],[1,3,5,2,4],[3,1,4,2,5],[2,4,1,3,5]]
soluciones :: Int -> [[Int]]
soluciones n =
  filter (\xs -> length xs == n) (estados n)
 
-- (estados n) es la lista de estados del problema de las n reinas. Por
-- ejemplo, 
--   λ> estados 4
--   [[],
--    [1],[2],[3],[4],
--    [3,1],[4,1],[4,2],[1,3],[1,4],[2,4],
--    [2,4,1],[1,4,2],[4,1,3],[3,1,4],
--    [3,1,4,2],[2,4,1,3]]
estados :: Int -> [[Int]]
estados = concat . levels . arbolReinas
 
-- Definición de nSoluciones
-- =========================
 
nSoluciones :: Int -> Int
nSoluciones = length . soluciones

Hojas con caminos no decrecientes

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]

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>

Árbol binario de divisores

El árbol binario de los divisores de 24 es

    90
    /\
   2  45
      /\
     3  15
        /\
       3  5

Se puede representar por

   N 90 (H 2) (N 45 (H 3) (N 15 (H 3) (H 5)))

usando el tipo de dato definido por

   data Arbol = H Int
              | N Int Arbol Arbol
     deriving (Eq, Show)

Análogamente se obtiene el árbol binario de cualquier número x: se comienza en x y en cada paso se tiene dos hijos (su menor divisor y su cociente) hasta obtener números primos en las hojas.

Definir las funciones

   arbolDivisores      :: Int -> Arbol
   hojasArbolDivisores :: Int -> [Int]

tales que

  • (arbolDivisores x) es el árbol binario de los divisores de x. Por ejemplo,
     λ> arbolDivisores 90
     N 90 (H 2) (N 45 (H 3) (N 15 (H 3) (H 5)))
     λ> arbolDivisores 24
     N 24 (H 2) (N 12 (H 2) (N 6 (H 2) (H 3)))
     λ> arbolDivisores 300
     N 300 (H 2) (N 150 (H 2) (N 75 (H 3) (N 25 (H 5) (H 5))))
  • (hojasArbolDivisores x) es la lista de las hohas del árbol binario de los divisores de x. Por ejemplo
     hojasArbolDivisores 90   ==  [2,3,3,5]
     hojasArbolDivisores 24   ==  [2,2,2,3]
     hojasArbolDivisores 300  ==  [2,2,3,5,5]

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (isPrime, primeFactors)
 
data Arbol = H Int
           | N Int Arbol Arbol
  deriving (Eq, Show)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
arbolDivisores :: Int -> Arbol
arbolDivisores x
  | y == x    = H x
  | otherwise = N x (H y) (arbolDivisores (x `div` y))
  where y = menorDivisor x
 
-- (menorDivisor x) es el menor divisor primo de x. Por ejemplo,
--    menorDivisor 45  ==  3
--    menorDivisor 5   ==  5
menorDivisor :: Int -> Int
menorDivisor x =
  head [y | y <- [2..x], x `mod` y == 0]
 
hojasArbolDivisores :: Int -> [Int]
hojasArbolDivisores = hojas . arbolDivisores
 
-- (hojas a) es la lista de las hojas del árbol a. Por ejemplo,
--    hojas (N 3 (H 4) (N 5 (H 7) (H 2)))  ==  [4,7,2]
hojas :: Arbol -> [Int]
hojas (H x)     = [x]
hojas (N _ i d) = hojas i ++ hojas d
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
arbolDivisores2 :: Int -> Arbol
arbolDivisores2 x
  | y == x    = H x
  | otherwise = N x (H y) (arbolDivisores (x `div` y))
  where (y:_) = primeFactors x
 
hojasArbolDivisores2 :: Int -> [Int]
hojasArbolDivisores2 = primeFactors

Pensamiento

Cuando el Ser que se es hizo la nada
y reposó que bien lo merecía,
ya tuvo el día noche, y compañía
tuvo el amante en la ausencia de la amada.

Antonio Machado

Árboles cuyas ramas cumplen una propiedad

Los árboles se pueden representar mediante el siguiente tipo de dato

   data Arbol a = N a [Arbol a]
     deriving Show

Por ejemplo, los árboles

      -1           1            1
      / \         / \          /|\
     2   3      -2   3        / | \  
    / \          |          -2  7  3  
   4   5        -4          / \      
                           4   5

se representan por

   ej1, ej2, ej3 :: Arbol Int
   ej1 = N (-1) [N 2 [N 4 [], N 5 []], N 3 []]
   ej2 = N 1 [N (-2) [N (-4) []], N 3 []]
   ej3 = N 1 [N (-2) [N 4 [], N 5 []], N 7 [], N 3 []]

Definir la función

   todasDesdeAlguno :: (a -> Bool) -> Arbol a -> Bool

tal que (todasDesdeAlguno p ar) se verifica si para toda rama existe un elemento a partir del cual todos los elementos de la rama verifican la propiedad p. Por ejemplo,

   todasDesdeAlguno (>0) ej1 == True
   todasDesdeAlguno (>0) ej2 == False
   todasDesdeAlguno (>0) ej3 == True

Soluciones

import Data.List (tails)
 
data Arbol a = N a [Arbol a]
  deriving Show
 
ej1, ej2, ej3 :: Arbol Int
ej1 = N (-1) [N 2 [N 4 [], N 5 []], N 3 []]
ej2 = N 1 [N (-2) [N (-4) []], N 3 []]
ej3 = N 1 [N (-2) [N 4 [], N 5 []], N 7 [], N 3 []]
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
todasDesdeAlguno :: (b -> Bool) -> Arbol b -> Bool
todasDesdeAlguno p a = all (desdeAlguno p) (ramas a)
 
-- (desdeAlguno p xs) se verifica si la propiedad xs tiene un elementemo
-- a partir del cual todos los siguientes cumplen la propiedad p. Por
-- ejemplo, 
--    desdeAlguno (>0) [-1,2,4]   ==  True
--    desdeAlguno (>0) [1,-2,-4]  ==  False
--    desdeAlguno (>0) [1,-2,4]   ==  True
 
-- 1ª definición de desdeAlguno
desdeAlguno1 :: (a -> Bool) -> [a] -> Bool
desdeAlguno1 p xs =
  not (null (takeWhile p (reverse xs)))
 
-- 2ª definición de desdeAlguno
desdeAlguno2 :: (a -> Bool) -> [a] -> Bool
desdeAlguno2 p xs = any (all p) (init (tails xs))
 
-- Comparación de eficiencia:
--    λ> desdeAlguno1 (>10^7) [1..1+10^7]
--    True
--    (4.36 secs, 960,101,896 bytes)
--    λ> desdeAlguno2 (>10^7) [1..1+10^7]
--    True
--    (5.62 secs, 3,600,101,424 bytes)
 
-- Usaremos la 1ª definición de desdeAlguno
desdeAlguno :: (a -> Bool) -> [a] -> Bool
desdeAlguno = desdeAlguno1
 
-- (ramas a) es la lista de las ramas de a. Por ejemplo,
--    ramas ej1  ==  [[-1,2,4],[-1,2,5],[-1,3]]
--    ramas ej2  ==  [[1,-2,-4],[1,3]]
--    ramas ej3  ==  [[1,-2,4],[1,-2,5],[1,7],[1,3]]
ramas :: Arbol a -> [[a]]
ramas (N x []) = [[x]]
ramas (N x as) = map (x:) (concatMap ramas as)
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
todasDesdeAlguno2 :: (b -> Bool) -> Arbol b -> Bool
todasDesdeAlguno2 p (N x []) = p x
todasDesdeAlguno2 p (N _ as) = all (todasDesdeAlguno2 p) as

Pensamiento

Por dar al viento trabajo,
cosía con hilo doble
las hojas secas del árbol.

Antonio Machado

Caminos minimales en un árbol numérico

En la librería Data.Tree se definen los tipos de árboles y bosques como sigue

   data Tree a   = Node a (Forest a)
   type Forest a = [Tree a]

Se pueden definir árboles. Por ejemplo,

   ej = Node 3 [Node 5 [Node 9 []], Node 7 []]

Y se pueden dibujar con la función drawTree. Por ejemplo,

   λ> putStrLn (drawTree (fmap show ej))
   3
   |
   +- 5
   |  |
   |  `- 9
   |
   `- 7

Los mayores divisores de un número x son los divisores u tales que u > 1 y existe un v tal que 1 < v < u y u.v = x. Por ejemplo, los mayores divisores de 24 son 12, 8 y 6.

El árbol de los predecesores y mayores divisores de un número x es el árbol cuya raíz es x y los sucesores de cada nodo y > 1 es el conjunto formado por y-1 junto con los mayores divisores de y. Los nodos con valor 1 no tienen sucesores. Por ejemplo, el árbol de los predecesores y mayores divisores del número 6 es

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

Definir las siguientes funciones

   mayoresDivisores :: Int -> [Int]
   arbol            :: Int -> Tree Int
   caminos          :: Int -> [[Int]]
   caminosMinimales :: Int -> [[Int]]

tales que
+ (mayoresDivisores x) es la lista de los mayores divisores de x. Por ejemplo,

     mayoresDivisores 24  ==  [12,8,6]
     mayoresDivisores 16  ==  [8,4]
     mayoresDivisores 10  ==  [5]
     mayoresDivisores 17  ==  []
  • (arbol x) es el árbol de los predecesores y mayores divisores del número x. Por ejemplo,
     λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbol 6)))
     6
     |
     +- 5
     |  |
     |  `- 4
     |     |
     |     +- 3
     |     |  |
     |     |  `- 2
     |     |     |
     |     |     `- 1
     |     |
     |     `- 2
     |        |
     |        `- 1
     |
     `- 3
        |
        `- 2
           |
           `- 1
  • (caminos x) es la lista de los caminos en el árbol de los predecesores y mayores divisores del número x. Por ejemplo,
     λ> caminos 6
     [[6,5,4,3,2,1],[6,5,4,2,1],[6,3,2,1]]
  • (caminosMinimales x) es la lista de los caminos en de menor longitud en el árbol de los predecesores y mayores divisores del número x. Por ejemplo,
     λ> caminosMinimales 6
     [[6,3,2,1]]
     λ> caminosMinimales 17
     [[17,16,4,2,1]]
     λ> caminosMinimales 50
     [[50,25,5,4,2,1],[50,10,9,3,2,1],[50,10,5,4,2,1]]

Soluciones

import Data.Tree
import Test.QuickCheck
 
mayoresDivisores :: Int -> [Int]
mayoresDivisores x =
  [max u v | u <- [2..floor (sqrt (fromIntegral x))]
           , x `mod` u == 0
           , let v = x `div` u]  
 
arbol :: Int -> Tree Int
arbol 1 = Node 1 []
arbol x = Node x (arbol (x-1) : [arbol y | y <- mayoresDivisores x])
 
caminos :: Int -> [[Int]]
caminos = caminosArbol . arbol
 
--    λ> caminosArbol (arbol 6)
--    [[6,5,4,3,2,1],[6,5,4,2,1],[6,3,2,1]]
caminosArbol :: Tree a -> [[a]]
caminosArbol (Node x []) = [[x]]
caminosArbol (Node x as) = [x:ys | ys <- caminosBosque as]
 
caminosBosque :: Forest a -> [[a]]
caminosBosque = concatMap caminosArbol
 
caminosMinimales :: Int -> [[Int]]
caminosMinimales x = [ys | ys <- yss, length ys == m]
  where yss = caminos x
        m   = minimum (map length yss)

Pensamiento

Tras el vivir y el soñar,
está lo que más importa:
despertar.

Antonio Machado

Exterior de árboles

Los árboles binarios con datos en las hojas y los nodos se definen por

   data Arbol = H Int
              | N Int Arbol Arbol 
     deriving Show

Por ejemplo, los árboles

          3               3               3     
         / \             / \             / \    
        /   \           /   \           /   \   
       2     8         2     8         2     8  
      / \   / \       / \   / \       / \   / \ 
     5   7 6   9     5   7 6   9     5   7 6   9
    / \                   / \                 / \   
   1   4                 1   4               1   4

se representan por

   ejArbol1, ejArbol2, ejArbol3 :: Arbol 
   ejArbol1 = N 3
                (N 2 
                   (N 5 (H 1) (H 4))
                   (H 7))
                (N 8 (H 6) (H 9))
   ejArbol2 = N 3
                (N 2 (H 5) (H 7))
                (N 8 (N 6 (H 1) (H 4))
                     (H 9))
   ejArbol3 = N 3
                (N 2 (H 5) (H 7))
                (N 8 (H 6)
                     (N 9 (H 1) (H 4)))

Definir la función

   exterior :: Arbol -> [Int]

tal que (exterior a) es la lista de los elementos exteriores del árbol a. Por ejemplo,

   exterior ejArbol1  ==  [3,2,5,1,4,7,6,9,8]
   exterior ejArbol2  ==  [3,2,5,7,1,4,9,8]
   exterior ejArbol3  ==  [3,2,5,7,6,1,4,9,8]

El orden de los elementos es desde la raíz hasta el extremo inferior izquierdo desde él hasta el inferior derecho y desde él hasta la raíz.

Soluciones

data Arbol = H Int
           | N Int Arbol Arbol 
  deriving Show
 
ejArbol1, ejArbol2, ejArbol3 :: Arbol 
ejArbol1 = N 3
             (N 2 
                (N 5 (H 1) (H 4))
                (H 7))
             (N 8 (H 6) (H 9))
ejArbol2 = N 3
             (N 2 (H 5) (H 7))
             (N 8 (N 6 (H 1) (H 4))
                  (H 9))
ejArbol3 = N 3
             (N 2 (H 5) (H 7))
             (N 8 (H 6)
                  (N 9 (H 1) (H 4)))
 
exterior :: Arbol -> [Int]
exterior a =
  ramaIzquierda a ++ hojas a ++ reverse (tail (ramaDerecha a))
 
-- (ramaIzquierda a) es la rama izquierda del árbol a. Por ejemplo,
--    ramaIzquierda ejArbol1  ==  [3,2,5]
--    ramaIzquierda ejArbol3  ==  [3,2]
ramaIzquierda :: Arbol -> [Int]
ramaIzquierda (H _)     = []
ramaIzquierda (N x i _) = x : ramaIzquierda i
 
-- (ramaDerecha a) es la rama derecha del árbol a. Por ejemplo,
--    ramaDerecha ejArbol1  ==  [3,8]
--    ramaDerecha ejArbol3  ==  [3,8,9]
ramaDerecha :: Arbol -> [Int]
ramaDerecha (H _)     = []
ramaDerecha (N x _ d) = x : ramaDerecha d
 
-- (hojas a) es la lista de las hojas del árbol a. Por ejemplo,
--    hojas ejArbol1  ==  [1,4,7,6,9]
--    hojas ejArbol3  ==  [5,7,6,1,4]
hojas :: Arbol -> [Int]
hojas (H x)     = [x]
hojas (N _ i d) = hojas i ++ hojas d

Pensamiento

¿Dónde está la utilidad
de nuestras utilidades?
Volvamos a la verdad:
vanidad de vanidades.

Antonio Machado

Árboles con n elementos

Los árboles binarios se pueden representar con

   data Arbol a = H a
                | N a (Arbol a) (Arbol a)
     deriving (Show, Eq)

Definir las funciones

   arboles  :: Integer -> a -> [Arbol a]
   nArboles :: [Integer]

tales que

  • (arboles n x) es la lista de todos los árboles binarios con n elementos iguales a x. Por ejemplo,
     λ> arboles 0 7
     []
     λ> arboles 1 7
     [H 7]
     λ> arboles 2 7
     []
     λ> arboles 3 7
     [N 7 (H 7) (H 7)]
     λ> arboles 4 7
     []
     λ> arboles 5 7
     [N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7)),N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)]
     λ> arboles 6 7
     []
     λ> arboles 7 7
     [N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7))),
      N 7 (H 7) (N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)),
      N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (N 7 (H 7) (H 7)),
      N 7 (N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7))) (H 7),
      N 7 (N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)) (H 7)]
  • nArboles es la sucesión de los números de árboles con k elementos iguales a 7, con k ∈ {1,3,5,…}. Por ejemplo,
     λ> take 14 nArboles
     [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900]
     λ> nArboles !! 100
     896519947090131496687170070074100632420837521538745909320
     λ> length (show (nArboles !! 1000))
     598

Soluciones

import Data.List (genericLength)
 
data Arbol a = H a
             | N a (Arbol a) (Arbol a)
  deriving (Show, Eq)
 
-- 1ª definición de arboles
-- ========================
 
arboles :: Integer -> a -> [Arbol a]
arboles 0 _ = []
arboles 1 x = [H x]
arboles n x = [N x i d | k <- [0..n-1],
                         i <- arboles k x,
                         d <- arboles (n-1-k) x]
 
-- 2ª definición de arboles
-- ========================
 
arboles2 :: Integer -> a -> [Arbol a]
arboles2 0 _ = []
arboles2 1 x = [H x]
arboles2 n x = [N x i d | k <- [1,3..n-1],
                          i <- arboles2 k x,
                          d <- arboles2 (n-1-k) x]
 
-- 1ª definición de nArboles
-- =========================
 
nArboles :: [Integer]
nArboles = [genericLength (arboles2 n 7) | n <- [1,3..]]
 
-- 2ª definición de nArboles
-- =========================
 
-- Con la definición anterior se observa que nArboles es
--    1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900
-- son los números de Catalan https://en.wikipedia.org/wiki/Catalan_number
-- Una forma de calcularlos (ver https://oeis.org/A000108) es
--     (2n)!/(n!(n+1)!)
 
nArboles2 :: [Integer]
nArboles2 =
  [factorial (2*n) `div` (factorial n * factorial (n+1)) | n <- [0..]]
 
factorial :: Integer -> Integer
factorial n = product [1..n]
 
-- 3ª definición de nArboles
-- =========================
 
-- 1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900
 
--  1
--  1 = 1*1
--  2 = 1*1  + 1*1
--  5 = 1*2  + 1*1 + 2*1
-- 14 = 1*5  + 1*2 + 2*1 + 5*1 
-- 42 = 1*14 + 1*5 + 2*2 + 5*1 + 14*1
 
nArboles3 :: [Integer]
nArboles3 = 1 : aux [1]
  where aux cs = c : aux (c:cs)
          where c = sum (zipWith (*) cs (reverse cs))  
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> length (show (nArboles !! 12))
--    6
--    (6.50 secs, 1,060,563,128 bytes)
--    λ> length (show (nArboles2 !! 12))
--    6
--    (0.01 secs, 108,520 bytes)
--    λ> length (show (nArboles3 !! 12))
--    6
--    (0.01 secs, 119,096 bytes)
--
--    λ> length (show (nArboles2 !! 1000))
--    598
--    (0.01 secs, 4,796,440 bytes)
--    λ> length (show (nArboles3 !! 1000))
--    598
--    (1.66 secs, 321,771,704 bytes)

Pensamiento

Ni vale nada el fruto
cogido sin sazón …
Ni aunque te elogie un bruto
ha de tener razón.

Antonio Machado

Mínimo número de operaciones para transformar un número en otro

Se considera el siguiente par de operaciones sobre los números:

  • multiplicar por dos
  • restar uno.

Dados dos números x e y se desea calcular el menor número de operaciones para transformar x en y. Por ejemplo, el menor número de operaciones para transformar el 4 en 7 es 2:

   4 ------> 8 ------> 7
      (*2)      (-1)

y el menor número de operaciones para transformar 2 en 5 es 4

   2 ------> 4 ------> 3 ------> 6 ------> 5
      (*2)      (-1)      (*2)      (-1)

Definir las siguientes funciones

   arbolOp :: Int -> Int -> Arbol
   minNOp  :: Int -> Int -> Int

tales que

  • (arbolOp x n) es el árbol de profundidad n obtenido aplicándole a x las dos operaciones. Por ejemplo,
    λ> arbolOp 4 1
    N 4 (H 8) (H 3)
    λ> arbolOp 4 2
    N 4 (N 8 (H 16) (H 7))
        (N 3 (H 6) (H 2))
    λ> arbolOp 2 3
    N 2 (N 4
           (N 8 (H 16) (H 7))
           (N 3 (H 6) (H 2)))
        (N 1
           (N 2 (H 4) (H 1))
           (H 0))
    λ> arbolOp 2 4
    N 2 (N 4 (N 8
                (N 16 (H 32) (H 15))
                (N 7 (H 14) (H 6)))
             (N 3
                (N 6 (H 12) (H 5))
                (N 2 (H 4) (H 1))))
        (N 1 (N 2
                (N 4 (H 8) (H 3))
                (N 1 (H 2) (H 0)))
             (H 0))
  • (minNOp x y) es el menor número de operaciones necesarias para transformar x en y. Por ejemplo,
     minNOp 4 7  ==  2
     minNOp 2 5  ==  4

Soluciones

data Arbol = H Int
           | N Int Arbol Arbol
  deriving (Show, Eq)
 
arbolOp :: Int -> Int -> Arbol
arbolOp 0 _ = H 0
arbolOp x 0 = H x
arbolOp x n = N x (arbolOp (2 * x) (n - 1)) (arbolOp (x - 1) (n - 1))
 
ocurre :: Int -> Arbol -> Bool
ocurre x (H y)     = x == y
ocurre x (N y i d) = x == y || ocurre x i || ocurre x d
 
minNOp :: Int -> Int -> Int
minNOp x y =
  head [n | n <- [0..]
          , ocurre y (arbolOp x n)]

Pensamiento

¿Dijiste media verdad?
Dirán que mientes dos veces
si dices la otra mitad.

Antonio Machado

Subárboles monovalorados

Los árboles binarios con valores enteros se pueden representar mediante el tipo Arbol definido por

   data Arbol = H Int 
              | N Int Arbol Arbol
              deriving Show

Por ejemplo, el árbol

         7
        / \ 
       /   \
      /     \
     4       9
    / \     / \
   1   3   5   6

se puede representar por

   N 7 (N 4 (H 1) (H 3)) (N 9 (H 5) (H 6))

Un árbol es monovalorado si todos sus elementos son iguales. Por ejemplo, de los siguientes árboles sólo son monovalorados los dos primeros

    5          9           5          9    
   / \        / \         / \        / \   
  5   5      9   9       5   6      9   7  
                / \                    / \ 
               9   9                  9   9

Definir la función

   monovalorados :: Arbol -> [Arbol]

tal que (monovalorados a) es la lista de los subárboles monovalorados de a. Por ejemplo,

   λ> monovalorados (N 5 (H 5) (H 5))
   [N 5 (H 5) (H 5),H 5,H 5]
   λ> monovalorados (N 5 (H 5) (H 6))
   [H 5,H 6]
   λ> monovalorados (N 9 (H 9) (N 9 (H 9) (H 9)))
   [N 9 (H 9) (N 9 (H 9) (H 9)),H 9,N 9 (H 9) (H 9),H 9,H 9]
   λ> monovalorados (N 9 (H 9) (N 7 (H 9) (H 9)))
   [H 9,H 9,H 9]
   λ> monovalorados (N 9 (H 9) (N 9 (H 7) (H 9)))
   [H 9,H 7,H 9]

Soluciones

data Arbol = H Int 
           | N Int Arbol Arbol
           deriving (Show, Eq)
 
monovalorados :: Arbol -> [Arbol]
monovalorados (H x) = [H x]
monovalorados (N x i d) 
    | todosIguales i x && todosIguales d x =
        (N x i d) : (subarboles i ++ subarboles d)
    | otherwise = monovalorados i ++ monovalorados d
 
-- (todosIguales a x) se verifica si todos los valores de los nodos y
-- las hojas del árbol a son iguales a x.
todosIguales :: Arbol -> Int -> Bool
todosIguales (H y) x     = y == x
todosIguales (N y i d) x = y == x && todosIguales i x && todosIguales d x
 
-- (subarboles a) es la lista de los subárboles de a.
subarboles :: Arbol -> [Arbol]
subarboles (H x)     = [H x]
subarboles (N x i d) = (N x i d) : (subarboles i ++ subarboles d)

Pensamiento

Y nadie pregunta
ni nadie contesta,
todos hablan solos.

Antonio Machado

Árbol de subconjuntos

Se dice que A es un subconjunto maximal de B si A ⊂ B y no existe ningún C tal que A ⊂ C y C ⊂ B. Por ejemplo, {2,5} es un subconjunto maximal de {2,3,5], pero {3] no lo es.

El árbol de los subconjuntos de un conjunto A es el árbol que tiene como raíz el conjunto A y cada nodo tiene como hijos sus subconjuntos maximales. Por ejemplo, el árbol de subconjuntos de [2,3,5] es

          [2, 3, 5]
          /   |  \
         /    |   \  
        /     |    \   
       /      |     \
      /       |      \
    [5,3]   [2,3]   [2,5]  
    /  \    /  \    /  \  
   [3] [5] [3] [2] [5] [2]
    |   |   |   |   |   | 
   [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

Usando el tipo de dato

   data Arbol = N [Integer] [Arbol]
     deriving (Eq, Show)

el árbol anterior se representa por

   N [2,5,3]
     [N [5,3]
        [N [3]
           [N [] []],
         N [5]
           [N [] []]],
      N [2,3]
        [N [3]
           [N [] []],
         N [2]
           [N [] []]],
      N [2,5]
        [N [5]
           [N [] []],
         N [2]
           [N [] []]]]

Definir las funciones

   arbolSubconjuntos :: [Int] -> Arbol 
   nOcurrenciasArbolSubconjuntos :: [Int] -> [Int] -> Int

tales que

  • (arbolSubconjuntos x) es el árbol de los subconjuntos de xs. Por ejemplo,
     λ> arbolSubconjuntos [2,5,3]
     N [2,5,3] [N [5,3] [N [3] [N [] []],N [5] [N [] []]],
                N [2,3] [N [3] [N [] []],N [2] [N [] []]],
                N [2,5] [N [5] [N [] []],N [2] [N [] []]]]
  • (nOcurrenciasArbolSubconjuntos xs ys) es el número de veces que aparece el conjunto xs en el árbol de los subconjuntos de ys. Por ejemplo,
     nOcurrenciasArbolSubconjuntos []      [2,5,3]  ==  6
     nOcurrenciasArbolSubconjuntos [3]     [2,5,3]  ==  2
     nOcurrenciasArbolSubconjuntos [3,5]   [2,5,3]  ==  1
     nOcurrenciasArbolSubconjuntos [3,5,2] [2,5,3]  ==  1

Comprobar con QuickChek que, para todo entero positivo n, el número de ocurrencia de un subconjunto xs de [1..n] en el árbol de los subconjuntos de [1..n] es el factorial de n-k (donde k es el número de elementos de xs).

Soluciones

import Data.List (delete, nub, sort, subsequences)
import Test.QuickCheck
 
data Arbol = N [Int] [Arbol]
  deriving (Eq, Show)
 
arbolSubconjuntos :: [Int] -> Arbol 
arbolSubconjuntos xs =
  N xs (map arbolSubconjuntos (subconjuntosMaximales xs))
 
-- (subconjuntosMaximales xs) es la lista de los subconjuntos maximales
-- de xs. Por ejemplo,
--    subconjuntosMaximales [2,5,3]  ==  [[5,3],[2,3],[2,5]]
subconjuntosMaximales :: [Int] -> [[Int]]
subconjuntosMaximales xs =
  [delete x xs | x <- xs]
 
-- Definición de nOcurrenciasArbolSubconjuntos
-- ===========================================
 
nOcurrenciasArbolSubconjuntos :: [Int] -> [Int] -> Int
nOcurrenciasArbolSubconjuntos xs ys =
  nOcurrencias xs (arbolSubconjuntos ys)
 
-- (nOcurrencias x a) es el número de veces que aparece x en el árbol
-- a. Por ejemplo,
--    nOcurrencias 3 (arbolSubconjuntos 30)  ==  2
nOcurrencias :: [Int] -> Arbol -> Int
nOcurrencias xs (N ys [])
  | conjunto xs == conjunto ys  = 1
  | otherwise                   = 0
nOcurrencias xs (N ys zs)
  | conjunto xs == conjunto ys = 1 + sum [nOcurrencias xs z | z <- zs]
  | otherwise                  = sum [nOcurrencias xs z | z <- zs]
 
-- (conjunto xs) es el conjunto ordenado correspondiente a xs. Por
-- ejemplo, 
--    conjunto [3,2,5,2,3,7,2]  ==  [2,3,5,7]
conjunto :: [Int] -> [Int]
conjunto = nub . sort
 
-- La propiedad es
prop_nOcurrencias :: (Positive Int) -> [Int] -> Bool
prop_nOcurrencias (Positive n) xs =
  nOcurrenciasArbolSubconjuntos ys [1..n] == factorial (n-k)
  where ys = nub [1 + x `mod` n | x <- xs]
        k  = length ys
        factorial m = product [1..m]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=9}) prop_nOcurrencias
--    +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Nunca traces tu frontera,
ni cuides de tu perfil;
todo eso es cosa de fuera.

Antonio Machado