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Etiqueta: Dinámica

Cambio con el menor número de monedas

José A. Alonso, ,

El problema del cambio con el menor número de monedas consiste en, dada una lista ms de tipos de monedas (con infinitas monedas de cada tipo) y una cantidad objetivo x, calcular el menor número de monedas de ms cuya suma es x. Por ejemplo, con monedas de 1, 3 y 4 céntimos se puede obtener 6 céntimos de 4 formas

   1, 1, 1, 1, 1, 1
   1, 1, 1, 3
   1, 1, 4
   3, 3

El menor número de monedas que se necesita es 2. En cambio, con monedas de 2, 5 y 10 es imposible obtener 3.

Definir

   monedas :: [Int] -> Int -> Maybe Int

tal que (monedas ms x) es el menor número de monedas de ms cuya suma es x, si es posible obtener dicha suma y es Nothing en caso contrario. Por ejemplo,

   monedas [1,3,4]  6                    ==  Just 2
   monedas [2,5,10] 3                    ==  Nothing
   monedas [1,2,5,10,20,50,100,200] 520  ==  Just 4

Soluciones

import Data.Array ((!), array)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
monedas :: [Int] -> Int -> Maybe Int
monedas ms x
  | null cs   = Nothing
  | otherwise = Just (minimum (map length cs))
  where cs = cambios ms x
 
-- (cambios ms x) es la lista de las foemas de obtener x sumando monedas
-- de ms. Por ejemplo,
--   λ> cambios [1,5,10] 12
--   [[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1],[1,1,1,1,1,1,1,5],[1,1,5,5],[1,1,10]]
--   λ> cambios [2,5,10] 3
--   []
--   λ> cambios [1,3,4] 6
--   [[1,1,1,1,1,1],[1,1,1,3],[1,1,4],[3,3]]
cambios :: [Int] -> Int -> [[Int]]
cambios _      0 = [[]]
cambios []     _ = []
cambios (k:ks) m
  | m < k     = []
  | otherwise = [k:zs | zs <- cambios (k:ks) (m - k)] ++
                cambios ks m
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
monedas2 :: [Int] -> Int -> Maybe Int
monedas2 ms n
  | sol == infinito = Nothing
  | otherwise       = Just sol
  where
    sol = aux n
    aux 0 = 0
    aux k = siguiente (minimo [aux (k - x) | x <- ms,  k >= x])
 
infinito :: Int
infinito = 10^30
 
minimo :: [Int] -> Int
minimo [] = infinito
minimo xs = minimum xs
 
siguiente :: Int -> Int
siguiente x | x == infinito = infinito
            | otherwise     = 1 + x
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
monedas3 :: [Int] -> Int -> Maybe Int
monedas3 ms n  
  | sol == infinito = Nothing
  | otherwise       = Just sol
  where
    sol = v ! n
    v   = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
    f 0 = 0
    f k = siguiente (minimo [v ! (k - x) | x <- ms, k >= x])
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> monedas [1,2,5,10,20,50,100,200] 27
--    Just 3
--    (0.02 secs, 871,144 bytes)
--    λ> monedas2 [1,2,5,10,20,50,100,200] 27
--    Just 3
--    (15.44 secs, 1,866,519,080 bytes)
--    λ> monedas3 [1,2,5,10,20,50,100,200] 27
--    Just 3
--    (0.01 secs, 157,232 bytes)
--    
--    λ> monedas [1,2,5,10,20,50,100,200] 188
--    Just 7
--    (14.20 secs, 1,845,293,080 bytes)
--    λ> monedas3 [1,2,5,10,20,50,100,200] 188
--    Just 7
--    (0.01 secs, 623,376 bytes)
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Números de Perrin

José A. Alonso, ,

Los números de Perrin se definen por la elación de recurrencia

   P(n) = P(n - 2) + P(n - 3) si n > 2,

con los valores iniciales

   P(0) = 3, P(1) = 0 y P(2) = 2.

Definir la sucesión

   sucPerrin :: [Integer]

cuyos elementos son los números de Perrin. Por ejemplo,

   λ> take 15 sucPerrin
   [3,0,2,3,2,5,5,7,10,12,17,22,29,39,51]
   λ> length (show (sucPerrin !! (2*10^5)))
   24425

Comprobar con QuickCheck si se verifica la siguiente propiedad: para todo entero n > 1, el n-ésimo término de la sucesión de Perrin es divisible por n si y sólo si n es primo.

Soluciones

import Data.List (genericIndex, unfoldr)
import Data.Numbers.Primes (isPrime)
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
sucPerrin1 :: [Integer]
sucPerrin1 = 3 : 0 : 2 : zipWith (+) sucPerrin1 (tail sucPerrin1)
 
-- 2ª solución
sucPerrin2 :: [Integer]
sucPerrin2 = [x | (x,_,_) <- iterate op (3,0,2)]
  where op (a,b,c) = (b,c,a+b)
 
-- 3ª solución
sucPerrin3 :: [Integer]
sucPerrin3 =
  unfoldr (\(a, (b,c)) -> Just (a, (b,(c,a+b)))) (3,(0,2))
 
-- 4ª solución
sucPerrin4 :: [Integer]
sucPerrin4 = [vectorPerrin n ! n | n <- [0..]]
 
vectorPerrin :: Integer -> Array Integer Integer
vectorPerrin n = v where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
  f 0 = 3
  f 1 = 0
  f 2 = 2
  f i = v ! (i-2) + v ! (i-3)
 
-- Comparación de eficiencia
--    λ> length (show (sucPerrin1 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.62 secs, 2,366,238,984 bytes)
--    λ> length (show (sucPerrin2 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.40 secs, 2,428,701,384 bytes)
--    λ> length (show (sucPerrin3 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.14 secs, 2,409,504,864 bytes)
--    λ> length (show (sucPerrin4 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.78 secs, 2,585,400,776 bytes)
 
 
-- Usaremos la 3ª
sucPerrin :: [Integer]
sucPerrin = sucPerrin3
 
-- La propiedad es  
conjeturaPerrin :: Integer -> Property
conjeturaPerrin n =
  n > 1 ==>
  (perrin n `mod` n == 0) == isPrime n
 
-- (perrin n) es el n-ésimo término de la sucesión de Perrin. Por
-- ejemplo,
--    perrin 4  ==  2
--    perrin 5  ==  5
--    perrin 6  ==  5
perrin :: Integer -> Integer
perrin n = sucPerrin `genericIndex` n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck conjeturaPerrin
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Nota: Aunque QuickCheck no haya encontrado contraejemplos, la
-- propiedad no es cierta. Sólo lo es una de las implicaciones: si n es
-- primo, entonces el  n-ésimo término de la sucesión de Perrin es
-- divisible por n. La otra es falsa y los primeros contraejemplos son
--    271441, 904631, 16532714, 24658561, 27422714, 27664033, 46672291
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Sucesión fractal

José A. Alonso, ,

La sucesión fractal

   0, 0, 1, 0, 2, 1, 3, 0, 4, 2, 5, 1, 6, 3, 7, 0, 8, 4, 9, 2, 
   10, 5, 11, 1, 12, 6, 13, 3, 14, 7, 15, ...

está construida de la siguiente forma:

  • los términos pares forman la sucesión de los números naturales 
     0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, ...
  • los términos impares forman la misma sucesión original
     0, 0, 1, 0, 2, 1, 3, 0, 4, 2, 5, 1, 6, 3, 7, ...

Definir las funciones

   sucFractal     :: [Integer]
   sumaSucFractal :: Integer -> Integer

tales que

  • sucFractal es la lista de los términos de la sucesión fractal. Por ejemplo, 
     take 20 sucFractal   == [0,0,1,0,2,1,3,0,4,2,5,1,6,3,7,0,8,4,9,2]
     sucFractal !! 30     == 15
     sucFractal !! (10^7) == 5000000
  • (sumaSucFractal n) es la suma de los n primeros términos de la sucesión fractal. Por ejemplo,
     sumaSucFractal 10      == 13
     sumaSucFractal (10^5)  == 1666617368
     sumaSucFractal (10^10) == 16666666661668691669
     sumaSucFractal (10^15) == 166666666666666166673722792954
     sumaSucFractal (10^20) == 1666666666666666666616666684103392376198
     length (show (sumaSucFractal (10^15000))) == 30000
     sumaSucFractal (10^15000) `mod` (10^9)    == 455972157

Soluciones

 
-- 1ª definición de sucFractal
-- ===========================
 
sucFractal1 :: [Integer]
sucFractal1 = 
  map termino [0..]
 
-- (termino n) es el término n de la secuencia anterior. Por ejemplo,
--   termino 0            ==  0
--   termino 1            ==  0
--   map termino [0..10]  ==  [0,0,1,0,2,1,3,0,4,2,5]
termino :: Integer -> Integer
termino 0 = 0
termino n 
  | even n    = n `div` 2
  | otherwise = termino (n `div` 2)
 
-- 2ª definición de sucFractal
-- ===========================
 
sucFractal2 :: [Integer]
sucFractal2 =
  0 : 0 : mezcla [1..] (tail sucFractal2)
 
-- (mezcla xs ys) es la lista obtenida intercalando las listas infinitas
-- xs e ys. Por ejemplo,
--    take 10 (mezcla [0,2..] [0,-2..])  ==  [0,0,2,-2,4,-4,6,-6,8,-8]
mezcla :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]
mezcla (x:xs) (y:ys) =
  x : y : mezcla xs ys
 
-- Comparación de eficiencia de definiciones de sucFractal
-- =======================================================
 
--    λ> sum (take (10^6) sucFractal1)
--    166666169612
--    (5.56 secs, 842,863,264 bytes)
--    λ> sum (take (10^6) sucFractal2)
--    166666169612
--    (1.81 secs, 306,262,616 bytes)
 
-- En lo que sigue usaremos la 2ª definición
sucFractal :: [Integer]
sucFractal = sucFractal2
 
-- 1ª definición de sumaSucFractal
-- ===============================
 
sumaSucFractal1 :: Integer -> Integer
sumaSucFractal1 n =
  sum (map termino [0..n-1])
 
-- 2ª definición de sumaSucFractal
-- ===============================
 
sumaSucFractal2 :: Integer -> Integer
sumaSucFractal2 n =
  sum (take (fromIntegral n) sucFractal)
 
-- 3ª definición de sumaSucFractal
-- ===============================
 
sumaSucFractal3 :: Integer -> Integer
sumaSucFractal3 0 = 0
sumaSucFractal3 1 = 0
sumaSucFractal3 n
  | even n    = sumaN (n `div` 2) + sumaSucFractal3 (n `div` 2)
  | otherwise = sumaN ((n+1) `div` 2) + sumaSucFractal3 (n `div` 2)
  where sumaN n = (n*(n-1)) `div` 2
 
-- Comparación de eficiencia de definiciones de sumaSucFractal
-- ===========================================================
 
--    λ> sumaSucFractal1 (10^6)
--    166666169612
--    (5.25 secs, 810,622,504 bytes)
--    λ> sumaSucFractal2 (10^6)
--    166666169612
--    (1.72 secs, 286,444,048 bytes)
--    λ> sumaSucFractal3 (10^6)
--    166666169612
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    
--    λ> sumaSucFractal2 (10^7)
--    16666661685034
--    (17.49 secs, 3,021,580,920 bytes)
--    λ> sumaSucFractal3 (10^7)
--    16666661685034
--    (0.01 secs, 0 bytes)
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Camino de máxima suma en una matriz

José A. Alonso, ,

Los caminos desde el extremo superior izquierdo (posición (1,1)) hasta el extremo inferior derecho (posición (3,4)) en la matriz

   (  1  6 11  2 )
   (  7 12  3  8 )
   (  3  8  4  9 )

moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha, son los siguientes:

   1, 7,  3, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 12, 8, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 3, 4, 9
   1, 6, 11, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 2, 8, 9

Las sumas de los caminos son 32, 41, 36, 40, 40, 35, 39, 34, 38 y 37, respectivamente. El camino de máxima suma es el segundo (1, 7, 12, 8, 4, 9) que tiene una suma de 41.

Definir la función

   caminoMaxSuma :: Matrix Int -> [Int]

tal que (caminoMaxSuma m) es un camino de máxima suma en la matriz m desde el extremo superior izquierdo hasta el extremo inferior derecho, moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha. Por ejemplo,

   λ> caminoMaxSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])
   [1,7,12,8,4,9]
   λ> sum (caminoMaxSuma (fromList 800 800 [1..]))
   766721999

Nota: Se recomienda usar programación dinámica.

Soluciones

import Data.Matrix
 
-- 1ª definición
-- =============
 
caminoMaxSuma1 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma1 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos1 m
        k  = maximum (map sum cs)
 
caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos1 m =
  map reverse (caminos1Aux m (nf,nc))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
 
-- (caminos1Aux p x) es la lista de los caminos invertidos en la matriz p
-- desde la posición (1,1) hasta la posición x. Por ejemplo,
caminos1Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> [[Int]]
caminos1Aux m (1,1) = [[m!(1,1)]]
caminos1Aux m (1,j) = [[m!(1,k) | k <- [j,j-1..1]]]
caminos1Aux m (i,1) = [[m!(k,1) | k <- [i,i-1..1]]]
caminos1Aux m (i,j) = [m!(i,j) : xs
                      | xs <- caminos1Aux m (i,j-1) ++
                              caminos1Aux m (i-1,j)]
 
-- 2ª definición
-- =============
 
caminoMaxSuma2 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma2 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos2 m
        k  = maximum (map sum cs)
 
caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos2 m =
  map reverse (matrizCaminos m ! (nrows m, ncols m))
 
matrizCaminos :: Matrix Int -> Matrix [[Int]]
matrizCaminos m = q
  where
    q = matrix (nrows m) (ncols m) f
    f (1,y) = [[m!(1,z) | z <- [y,y-1..1]]]
    f (x,1) = [[m!(z,1) | z <- [x,x-1..1]]]
    f (x,y) = [m!(x,y) : cs | cs <- q!(x-1,y) ++ q!(x,y-1)]  
 
-- 3ª definición (con programación dinámica)
-- =========================================
 
caminoMaxSuma3 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma3 m = reverse (snd (q ! (nf,nc)))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = caminoMaxSumaAux m
 
caminoMaxSumaAux :: Matrix Int -> Matrix (Int,[Int])
caminoMaxSumaAux m = q 
  where
    nf = nrows m
    nc = ncols m
    q  = matrix nf nc f
      where
        f (1,1) = (m!(1,1),[m!(1,1)])
        f (1,j) = (k + m!(1,j), m!(1,j):xs)
          where (k,xs) = q!(1,j-1)
        f (i,1) = (k + m!(i,1), m!(i,1):xs)
          where (k,xs) = q!(i-1,1)        
        f (i,j) | k1 > k2   = (k1 + m!(i,j), m!(i,j):xs)
                | otherwise = (k2 + m!(i,j), m!(i,j):ys)
          where (k1,xs) = q!(i,j-1)
                (k2,ys) = q!(i-1,j)
 
-- Comparación de eficiencia
-- -------------------------
 
--    λ> length (caminoMaxSuma1 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (10.00 secs, 1,510,120,328 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma2 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (3.84 secs, 745,918,544 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma3 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (0.01 secs, 0 bytes)
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Máximo de las sumas de los caminos en una matriz

José A. Alonso, ,

Los caminos desde el extremo superior izquierdo (posición (1,1)) hasta el extremo inferior derecho (posición (3,4)) en la matriz

   (  1  6 11  2 )
   (  7 12  3  8 )
   (  3  8  4  9 )

moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha, son los siguientes:

   1, 7,  3, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 12, 8, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 3, 4, 9
   1, 6, 11, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 2, 8, 9

Las sumas de los caminos son 32, 41, 36, 40, 40, 35, 39, 34, 38 y 37, respectivamente. El máximo de las suma de los caminos es 41.

Definir la función

   maximaSuma :: Matrix Int -> Int

tal que (maximaSuma m) es el máximo de las sumas de los caminos en la matriz m desde el extremo superior izquierdo hasta el extremo inferior derecho, moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha. Por ejemplo,

   λ> maximaSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])
   41
   λ> maximaSuma (fromList 800 800 [1..])
   766721999

Nota: Se recomienda usar programación dinámica.

Soluciones

import Data.Matrix
 
-- 1ª definición
-- =============
 
maximaSuma1 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma1 =
  maximum . map sum . caminos1
 
caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos1 m =
  map reverse (caminos1Aux m (nf,nc))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
 
-- (caminos1Aux p x) es la lista de los caminos invertidos en la matriz p
-- desde la posición (1,1) hasta la posición x. Por ejemplo,
caminos1Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> [[Int]]
caminos1Aux m (1,1) = [[m!(1,1)]]
caminos1Aux m (1,j) = [[m!(1,k) | k <- [j,j-1..1]]]
caminos1Aux m (i,1) = [[m!(k,1) | k <- [i,i-1..1]]]
caminos1Aux m (i,j) = [m!(i,j) : xs
                      | xs <- caminos1Aux m (i,j-1) ++
                              caminos1Aux m (i-1,j)]
 
-- 2ª definición
-- =============
 
maximaSuma2 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma2 =
  maximum . map sum . caminos2
 
caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos2 m =
  map reverse (matrizCaminos m ! (nrows m, ncols m))
 
matrizCaminos :: Matrix Int -> Matrix [[Int]]
matrizCaminos m = q
  where
    q = matrix (nrows m) (ncols m) f
    f (1,y) = [[m!(1,z) | z <- [y,y-1..1]]]
    f (x,1) = [[m!(z,1) | z <- [x,x-1..1]]]
    f (x,y) = [m!(x,y) : cs | cs <- q!(x-1,y) ++ q!(x,y-1)]  
 
-- 3ª definicion (por recursión, sin calcular el camino)
-- =====================================================
 
maximaSuma3 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma3 m = maximaSuma3Aux m (nf,nc)
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
 
-- (maximaSuma3Aux m p) calcula la suma máxima de un camino hasta la
-- posición p. Por ejemplo,
--    λ> maximaSuma3Aux (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) (3,4)
--    41
--    λ> maximaSuma3Aux (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) (3,3)
--    32
--    λ> maximaSuma3Aux (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) (2,4)
--    31
maximaSuma3Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> Int
maximaSuma3Aux m (1,1) = m ! (1,1)
maximaSuma3Aux m (1,j) = maximaSuma3Aux m (1,j-1) + m ! (1,j)
maximaSuma3Aux m (i,1) = maximaSuma3Aux m (i-1,1) + m ! (i,1)
maximaSuma3Aux m (i,j) =
  max (maximaSuma3Aux m (i,j-1)) (maximaSuma3Aux m (i-1,j)) + m ! (i,j)
 
-- 4ª solución (mediante programación dinámica)
-- ============================================
 
maximaSuma4 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma4 m = q ! (nf,nc)
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = matrizMaximaSuma m
 
-- (matrizMaximaSuma m) es la matriz donde en cada posición p se
-- encuentra el máxima de las sumas de los caminos desde (1,1) a p en la
-- matriz m. Por ejemplo,   
--    λ> matrizMaximaSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) 
--    (  1  7 18 20 )
--    (  8 20 23 31 )
--    ( 11 28 32 41 )
matrizMaximaSuma :: Matrix Int -> Matrix Int
matrizMaximaSuma m = q 
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = matrix nf nc f
          where  f (1,1) = m ! (1,1)
                 f (1,j) = q ! (1,j-1) + m ! (1,j)
                 f (i,1) = q ! (i-1,1) + m ! (i,1)
                 f (i,j) = max (q ! (i,j-1)) (q ! (i-1,j)) + m ! (i,j)
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> maximaSuma1 (fromList 8 8 [1..])
--    659
--    (0.11 secs, 31,853,136 bytes)
--    λ> maximaSuma1a (fromList 8 8 [1..])
--    659
--    (0.09 secs, 19,952,640 bytes)
-- 
--    λ> maximaSuma1 (fromList 10 10 [1..])
--    1324
--    (2.25 secs, 349,722,744 bytes)
--    λ> maximaSuma2 (fromList 10 10 [1..])
--    1324
--    (0.76 secs, 151,019,296 bytes)
--    
--    λ> maximaSuma2 (fromList 11 11 [1..])
--    1781
--    (3.02 secs, 545,659,632 bytes)
--    λ> maximaSuma3 (fromList 11 11 [1..])
--    1781
--    (1.57 secs, 210,124,912 bytes)
--    
--    λ> maximaSuma3 (fromList 12 12 [1..])
--    2333
--    (5.60 secs, 810,739,032 bytes)
--    λ> maximaSuma4 (fromList 12 12 [1..])
--    2333
--    (0.01 secs, 23,154,776 bytes)
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