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Etiqueta: ceiling

La menos conocida de las conjeturas de Goldbach

José A. Alonso, ,

Goldbach, el de la famosa conjetura, hizo por lo menos otra conjetura que finalmente resultó ser falsa.

Esta última decía que todo número compuesto impar puede expresarse como la suma de un número primo más dos veces la suma de un cuadrado. Así por ejemplo,

    9 =  7 + 2×1^2
   15 =  7 + 2×2^2
   21 =  3 + 2×3^2
   25 =  7 + 2×3^2
   27 = 19 + 2×2^2
   33 = 31 + 2×1^2

Definir las sucesiones

   imparesCompuestos :: [Integer]
   descomposiciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
   contraejemplosGoldbach :: [Integer]

tales que

  • imparesCompuestos es la lista de los números impares compuestos. Por ejemplo,
     take 9 imparesCompuestos  ==  [9,15,21,25,27,33,35,39,45]
  • (descomposiciones n) es la lista de las descomposiciones de n de n como la suma de un número primo más dos veces la suma de un cuadrado. Por ejemplo, 
     descomposiciones 9     ==  [(7,1)]
     descomposiciones 21    ==  [(3,9),(13,4),(19,1)]
     descomposiciones 5777  ==  []

Las 3 descomposiciones de 21 son

     21 =  3 + 2*9 = 21 + 2*3^2
     21 = 13 + 2*4 = 13 + 2*3^2
     21 = 19 + 2*1 = 19 + 2*1^2
  • contraejemplosGoldbach es la lista de los contraejemplos de la anterior conjetura de Goldbach; es decir, los números impares compuestos que no pueden expresarse como la suma de un número primo más dos veces la suma de un cuadrado. Por ejemplo,
   take 2 contraejemplosGoldbach  ==  [5777,5993]

Comprobar con QuickCheck que la conjetura de Golbach se verifica a partir de 5993; es decir, todo número compuesto impar mayor que 5993 puede expresarse como la suma de un número primo más dos veces la suma de un cuadrado.

Nota: Basado en el artículo La menos conocida de las conjeturas de Goldbach de Claudio Meller en el blog Números y algo más.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck
 
imparesCompuestos :: [Integer]
imparesCompuestos = filter esCompuesto [3,5..]
 
-- (esCompuesto x) se verifica si x es un número compuesto. Por ejemplo,
--    esCompuesto 6  ==  True
--    esCompuesto 7  ==  False
esCompuesto :: Integer -> Bool
esCompuesto = not . isPrime
 
contraejemplosGoldbach :: [Integer]
contraejemplosGoldbach = filter esContraejemplo imparesCompuestos
 
-- (esContraejemplo x) es verifica si el número impar compuesto x es un
-- contraejemplo de la conjetura de Goldbach. Por ejemplo,
--    esContraejemplo 5777  ==  True
--    esContraejemplo 15    ==  False
esContraejemplo :: Integer -> Bool
esContraejemplo = null . descomposiciones
 
descomposiciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
descomposiciones n =
  [(p,x) | p <- takeWhile (<=n) primes
         , (n - p) `mod` 2 == 0
         , let x = (n - p) `div` 2
         , esCuadrado x]
 
-- (esCuadrado x) es verifica si x es un cuadrado perfecto. Por ejemplo, 
--    esCuadrado 16  ==  True
--    esCuadrado 27  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = y^2 == x
  where y = ceiling (sqrt (fromIntegral x))
 
-- La propiedad es
prop_conjetura :: Int -> Property
prop_conjetura n =
  n >= 0 ==> not (esContraejemplo (imparesCompuestosMayore5993 !! n))
  where imparesCompuestosMayore5993 = dropWhile (<=5993) imparesCompuestos
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_conjetura
--    +++ 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

“Obvio es la palabra más peligrosa de las matemáticas.”

Eric Temple Bell

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Entre dos potencias sucesivas

José A. Alonso, ,

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

Definir las funciones

   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
  • 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)]
  • 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)]

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.

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

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La conjetura de Mertens

José A. Alonso, ,

Un número entero n es libre de cuadrados si no existe un número primo p tal que p² divide a n; es decir, los factores primos de n son todos distintos.

La función de Möbius μ(n) está definida para todos los enteros positivos como sigue:

  • μ(n) = 1 si n es libre de cuadrados y tiene un número par de factores primos.
  • μ(n) = -1 si n es libre de cuadrados y tiene un número impar de factores primos.
  • μ(n) = 0 si n no es libre de cuadrados.

Sus primeros valores son 1, -1, -1, 0, -1, 1, -1, 0, 0, 1, …

La función de Mertens M(n) está definida para todos los enteros positivos como la suma de μ(k) para 1 ≤ k ≤ n. Sus primeros valores son 1, 0, -1, -1, -2, -1, -2, -2, …

La conjetura de Mertens afirma que

Para todo entero x mayor que 1, el valor absoluto de la función de Mertens en x es menor que la raíz cuadrada de x.

La conjetura fue planteada por Franz Mertens en 1897. Riele Odlyzko, demostraronen 1985 que la conjetura de Mertens deja de ser cierta más o menos a partir de 10^{10^{64}}, cifra que luego de algunos refinamientos se redujo a 10^{10^{40}}.

Definir las funciones

   mobius :: Integer -> Integer
   mertens :: Integer -> Integer
   graficaMertens :: Integer -> IO ()

tales que

  • (mobius n) es el valor de la función de Möbius en n. Por ejemplo,
     mobius 6   ==  1
     mobius 30  ==  -1
     mobius 12  ==  0
  • (mertens n) es el valor de la función de Mertens en n. Por ejemplo,
     mertens 1     ==  1
     mertens 2     ==  0
     mertens 3     ==  -1
     mertens 5     ==  -2
     mertens 661   ==  -11
     mertens 1403  ==  11
  • (graficaMertens n) dibuja la gráfica de la función de Mertens, la raíz cuadrada y el opuestos de la raíz cuadrada para los n primeros n enteros positivos. Por ejemplo, (graficaMertens 1000) dibuja

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Mertens.

Nota: El ejercicio está basado en La conjetura de Merterns y su relación con un número tan raro como extremada y colosalmente grande publicado por @Alvy la semana pasada en Microsiervos.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
import Test.QuickCheck
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
mobius :: Integer -> Integer
mobius n | tieneRepetidos xs = 0
         | otherwise         = (-1)^(length xs)
  where xs = primeFactors n
 
tieneRepetidos :: [Integer] -> Bool
tieneRepetidos xs =
  or [x == y | (x,y) <- zip xs (tail xs)]
 
mertens :: Integer -> Integer
mertens n = sum (map mobius [1..n])
 
-- Definición de graficaMertens
-- ============================
 
graficaMertens :: Integer -> IO ()
graficaMertens n = do
  plotLists [ Key Nothing
            , Title "Conjetura de Mertens"
            , PNG "La_conjetura_de_Mertens.png"
            ]
            [ [mertens k | k <- [1..n]]
            , raices
            , map negate raices
            ]
 
  where
    raices = [ceiling (sqrt k) | k <- [1..fromIntegral n]]
 
-- Conjetura de Mertens
-- ====================
 
-- La conjetura es
conjeturaDeMertens :: Integer -> Property
conjeturaDeMertens n =
  n > 1
  ==>
  abs (mertens n) < ceiling (sqrt n')
  where n' = fromIntegral n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck conjeturaDeMertens
--    +++ 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 control de la complejidad es la esencia de la programación informática.”

Brian Kernighan.

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Teorema de existencia de divisores

José A. Alonso, ,

El teorema de existencia de divisores afirma que

En cualquier subconjunto de {1, 2, …, 2m} con al menos m+1 elementos existen números distintos a, b tales que a divide a b.

Un conjunto de números naturales xs es mayoritario si existe un m tal que la lista de xs es un subconjunto de {1,2,…,2m} con al menos m+1 elementos. Por ejemplo, {2,3,5,6} porque es un subconjunto de {1,2,…,6} con más de 3 elementos.

Definir las funciones

   divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)]
   esMayoritario :: [Integer] -> Bool

tales que

  • (divisores xs) es la lista de pares de elementos distintos de (a,b) tales que a divide a b. Por ejemplo,
     divisoresMultiplos [2,3,5,6]  ==  [(2,6),(3,6)]
     divisoresMultiplos [2,3,5]    ==  []
     divisoresMultiplos [4..8]     ==  [(4,8)]
  • (esMayoritario xs) se verifica xs es mayoritario. Por ejemplo,
     esMayoritario [2,3,5,6]  ==  True
     esMayoritario [2,3,5]    ==  False

Comprobar con QuickCheck el teorema de existencia de divisores; es decir, en cualquier conjunto mayoritario existen números distintos a, b tales que a divide a b. Para la comprobación se puede usar el siguiente generador de conjuntos mayoritarios

   mayoritario :: Gen [Integer]
   mayoritario = do
     m' <- arbitrary
     let m = 1 + abs m'
     xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)
     return xs'

con lo que la propiedad que hay que comprobar con QuickCheck es

   teorema_de_existencia_de_divisores :: Property
   teorema_de_existencia_de_divisores =
     forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Test.QuickCheck
 
divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)]
divisoresMultiplos xs =
  [(x,y) | x <- xs
         , y <- xs
         , y /= x
         , y `mod` x == 0]
 
esMayoritario :: [Integer] -> Bool
esMayoritario xs =
  not (null xs) && length xs > ceiling (n / 2) 
  where n = fromIntegral (maximum xs)
 
-- Comprobación del teorema
-- ========================
 
-- La propiedad es
teorema_de_existencia_de_divisores :: Property
teorema_de_existencia_de_divisores =
  forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)
 
-- mayoritario es un generador de conjuntos mayoritarios. Por ejemplo, 
--    λ> sample mayoritario
--    [1,2]
--    [2,5,7,8]
--    [1,2,8,10,14]
--    [3,8,11,12,13,15,18,19,22,23,25,26]
--    [1,3,4,6]
--    [3,6,9,11,12,14,17,19]
mayoritario :: Gen [Integer]
mayoritario = do
  m' <- arbitrary
  let m = 1 + abs m'
  xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)
  return xs'
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck teorema_de_existencia_de_divisores
--    +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Guiomar, Guiomar,
mírame en ti castigado:
reo de haberte creado,
ya no te puedo olvidar.

Antonio Machado

Leer más →

Suma de primos menores

José A. Alonso, ,

La suma de los primos menores que 10 es 2 + 3 + 5 + 7 = 17.

Definir la función

   sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer

tal que (sumaPrimosMenores n) es la suma de los primos menores que n. Por ejemplo,

   sumaPrimosMenores 10        ==  17
   sumaPrimosMenores (5*10^5)  ==  9914236195

Nota: Este ejercicio está basado en el problema 10 del Proyecto Euler

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores n = sum (takeWhile (<n) primos)
 
-- primos es la lista de los números primos. Por ejemplo,
--    λ> take 12 primos
--    [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37]
primos :: [Integer]
primos = 2 : filter esPrimo [3,5..]
 
esPrimo :: Integer -> Bool
esPrimo n = null [x | x <- [2..(ceiling . sqrt . fromIntegral) n]
                    , n `mod` x == 0]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
sumaPrimosMenores2 :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores2 n = sum (takeWhile (<n) primos2)
 
primos2 :: [Integer]
primos2 = 2 : filter esPrimo2 [3,5..]
 
esPrimo2 :: Integer -> Bool
esPrimo2 x =
  all ((/= 0) . mod x)
  (takeWhile (<= floor (sqrt (fromIntegral x))) primos2)
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
sumaPrimosMenores3 :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores3 n = sum (takeWhile (<n) primes)
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> sumaPrimosMenores (2*10^5)
--    1709600813
--    (2.56 secs, 1,522,015,240 bytes)
--    λ> sumaPrimosMenores2 (2*10^5)
--    1709600813
--    (0.56 secs, 376,951,456 bytes)
--    λ> sumaPrimosMenores3 (2*10^5)
--    1709600813
--    (0.07 secs, 62,321,888 bytes)

Pensamiento

El movimiento no es nada esencial. La fuerza puede ser inmóvil (lo es en su estado de pureza); mas no por ello deja de ser activa.

Antonio Machado

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