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Etiqueta: Data.MemoCombinators

Mayor órbita de la sucesión de Collatz

José A. Alonso, ,

Se considera la siguiente operación, aplicable a cualquier número entero positivo:

  • Si el número es par, se divide entre 2.
  • Si el número es impar, se multiplica por 3 y se suma 1.

Dado un número cualquiera, podemos calcular su órbita; es decir, las imágenes sucesivas al iterar la función. Por ejemplo, la órbita de 13 es

   13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1, 4, 2, 1,...

Si observamos este ejemplo, la órbita de 13 es periódica, es decir, se repite indefinidamente a partir de un momento dado). La conjetura de Collatz dice que siempre alcanzaremos el 1 para cualquier número con el que comencemos. Por ejemplo,

  • Empezando en n = 6 se obtiene 6, 3, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1.
  • Empezando en n = 11 se obtiene: 11, 34, 17, 52, 26, 13, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1.
  • Empezando en n = 27, la sucesión tiene 112 pasos, llegando hasta 9232 antes de descender a 1: 27, 82, 41, 124, 62, 31, 94, 47, 142, 71, 214, 107, 322, 161, 484, 242, 121, 364, 182, 91, 274, 137, 412, 206, 103, 310, 155, 466, 233, 700, 350, 175, 526, 263, 790, 395, 1186, 593, 1780, 890, 445, 1336, 668, 334, 167, 502, 251, 754, 377, 1132, 566, 283, 850, 425, 1276, 638, 319, 958, 479, 1438, 719, 2158, 1079, 3238, 1619, 4858, 2429, 7288, 3644, 1822, 911, 2734, 1367, 4102, 2051, 6154, 3077, 9232, 4616, 2308, 1154, 577, 1732, 866, 433, 1300, 650, 325, 976, 488, 244, 122, 61, 184, 92, 46, 23, 70, 35, 106, 53, 160, 80, 40, 20, 10, 5, 16, 8, 4, 2, 1.

Definir la función

   mayoresGeneradores :: Integer -> [Integer]

tal que (mayoresGeneradores n) es la lista de los números menores o iguales que n cuyas órbitas de Collatz son las de mayor longitud. Por ejemplo,

   mayoresGeneradores 20      ==  [18,19]
   mayoresGeneradores (10^6)  ==  [837799]

Soluciones

import qualified Data.MemoCombinators as Memo (integral)
import Data.List (genericLength, genericTake, maximumBy)
import Test.QuickCheck (Positive(..), quickCheck)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
mayoresGeneradores :: Integer -> [Integer]
mayoresGeneradores n =
  [x | (x,y) <- ps, y == m]
  where ps = genericTake n longitudesOrbitas
        m  = maximum (map snd ps)
 
-- longitudesOrbita es la lista de los números junto a las longitudes de
-- las órbitas de Collatz que generan. Por ejemplo,
--    λ> take 10 longitudesOrbitas
--    [(1,1),(2,2),(3,8),(4,3),(5,6),(6,9),(7,17),(8,4),(9,20),(10,7)]
longitudesOrbitas :: [(Integer, Integer)]
longitudesOrbitas =
  [(n, genericLength (collatz n)) | n <- [1..]]
 
-- (siguiente n) es el siguiente de n en la sucesión de Collatz. Por
-- ejemplo,
--    siguiente 13  ==  40
--    siguiente 40  ==  20
siguiente :: Integer -> Integer
siguiente n | even n    = n `div` 2
            | otherwise = 3*n+1
 
-- (collatz1 n) es la órbita de Collatz de n hasta alcanzar el
-- 1. Por ejemplo,
--    collatz 13  ==  [13,40,20,10,5,16,8,4,2,1]
 
-- 1ª definición de collatz
collatz1 :: Integer -> [Integer]
collatz1 1 = [1]
collatz1 n = n : collatz1 (siguiente n)
 
-- 2ª definición de collatz
collatz2 :: Integer -> [Integer]
collatz2 n = takeWhile (/=1) (iterate siguiente n) ++ [1]
 
-- Usaremos la 2ª definición de collatz
collatz :: Integer -> [Integer]
collatz = collatz2
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
mayoresGeneradores2 :: Integer -> [Integer]
mayoresGeneradores2 n =
  [x | (x,y) <- ps, y == m]
  where ps = [(x, longitudOrbita x) | x <- [1..n]]
        m  = maximum (map snd ps)
 
-- (longitudOrbita x) es la longitud de la órbita de x. Por ejemplo,
--    longitudOrbita 13  ==  10
longitudOrbita :: Integer -> Integer
longitudOrbita 1 = 1
longitudOrbita x = 1 + longitudOrbita (siguiente x)
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
mayoresGeneradores3 :: Integer -> [Integer]
mayoresGeneradores3 n =
  [x | (x,y) <- ps, y == m]
  where ps = [(x, longitudOrbita2 x) | x <- [1..n]]
        m  = maximum (map snd ps)
 
longitudOrbita2 :: Integer -> Integer
longitudOrbita2 = Memo.integral longitudOrbita2'
  where
    longitudOrbita2' 1 = 1
    longitudOrbita2' x = 1 + longitudOrbita2 (siguiente x)
 
 
-- Equivalencia de definiciones
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_mayoresGeneradores :: (Positive Integer) -> Bool
prop_mayoresGeneradores (Positive n) =
  all (== (mayoresGeneradores n))
      [mayoresGeneradores2 n,
       mayoresGeneradores3 n]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_mayoresGeneradores
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comprobación de eficiencia
-- ==========================
 
-- La comprobación es
--    λ> mayoresGeneradores (10^5)
--    [77031]
--    (5.43 secs, 6,232,320,064 bytes)
--    λ> mayoresGeneradores2 (10^5)
--    [77031]
--    (7.68 secs, 5,238,991,616 bytes)
--    λ> mayoresGeneradores3 (10^5)
--    [77031]
--    (0.88 secs, 571,788,736 bytes)

El código se encuentra en GitHub.

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