div

Números de Catalan

PorJosé A. Alonso 13-marzo-201726-marzo-2022

Los números de Catalan forman la sucesión cuyo término general es

Los primeros números de Catalan son

   1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786

1	1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786

Los números de Catalan satisfacen la siguiente relación de recurrencia:

Asintóticamente, los números de Catalan crecen como:

considerando que el cociente entre el n-ésimo número de Catalan y la expresión de la derecha tiende hacia 1 cuando n tiende a infinito.

Definir las funciones

   catalan :: [Integer]
   grafica :: Int -> Int -> IO ()

1 2	catalan :: [Integer] grafica :: Int -> Int -> IO ()

tales que

catalan es la lista de términos de la sucesión de Catalan. Por ejemplo,

     λ> take 12 catalan
     [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786]
     λ> length (show (catalan !! 50000))
     30096

λ> take 12 catalan

[1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786]

λ> length (show (catalan !! 50000))

30096

(grafica a b) dibuja los n-ésimos términos de la sucesión de Catalan, para n entre a y b, junto con los de la expresión de la derecha de

Por ejemplo, (grafica 5 10) dibuja

y (grafica 55 60) dibuja

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple

catalan :: [Integer]
catalan = scanl (\c n -> c*2*(2*n-1) `div` (n+1)) 1 [1..]

grafica :: Int -> Int -> IO ()
grafica a b = 
  plotLists [Key Nothing]
            [[(fromIntegral n, fromIntegral (catalan !! n)) | n <- [a..b]]
            ,[(n,4**n/(n**(3/2)*(sqrt pi))) | n <- [c..d]]]
  where c, d :: Double
        c = fromIntegral a
        d = fromIntegral b

import Graphics.Gnuplot.Simple

catalan :: [Integer]

catalan = scanl (\c n -> c*2*(2*n-1) `div` (n+1)) 1 [1..]

grafica :: Int -> Int -> IO ()

grafica a b =

plotLists [Key Nothing]

[[(fromIntegral n, fromIntegral (catalan !! n)) | n <- [a..b]]

,[(n,4**n/(n**(3/2)*(sqrt pi))) | n <- [c..d]]]

where c, d :: Double

c = fromIntegral a

d = fromIntegral b

Caminos minimales en un arbol numérico

PorJosé A. Alonso 10-marzo-201725-abril-2021

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

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

1 2	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 []]

1	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

λ> putStrLn (drawTree (fmap show ej))

+- 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

/ \

5 3

| |

4 2

/ \ |

3 2 1

| |

2 1

Definir las siguientes funciones

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

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  ==  []

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

λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbol 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]]

1 2	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]]

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

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)

import Data.Tree

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)

Números binarios invertidos

PorJosé A. Alonso 6-marzo-201713-marzo-2017

La representación binaria de 13 es 1101, que al invertirlo da 1011 cuya representación decimal es el número 11.

Definir la función

   transformado :: Integer -> Integer

1	transformado :: Integer -> Integer

tal que (transformado x) es la representación decimal del número obtenido invirtiendo la representación binaria de x. Por ejemplo,

   transformado 13  ==  11
   transformado 47  ==  61

1 2	transformado 13 == 11 transformado 47 == 61

Nota: El ejercicio está basado en el problema Reversed Binary Numbers de Kattis.

Soluciones

transformado :: Integer -> Integer 
transformado = bin2int . reverse . int2bin

-- (int2bin x) es la representación binaria de x. Por ejemplo,
--    int2bin 13  ==  [1,0,1,1]
int2bin :: Integer -> [Integer]
int2bin n | n < 2     = [n]
          | otherwise = n `mod` 2 : int2bin (n `div` 2)

-- (bin2int x) es la representación decimal del número binario x. Por
-- ejemplo, 
--    bin2int [1,0,1,1]           ==  13
--    bin2int (reverse [1,0,1,1]) ==  11
bin2int :: [Integer] -> Integer
bin2int =  foldr (\x y -> x + 2*y) 0

transformado :: Integer -> Integer

transformado = bin2int . reverse . int2bin

-- (int2bin x) es la representación binaria de x. Por ejemplo,

-- int2bin 13 == [1,0,1,1]

int2bin :: Integer -> [Integer]

int2bin n | n < 2 = [n]

| otherwise = n `mod` 2 : int2bin (n `div` 2)

-- (bin2int x) es la representación decimal del número binario x. Por

-- ejemplo,

-- bin2int [1,0,1,1] == 13

-- bin2int (reverse [1,0,1,1]) == 11

bin2int :: [Integer] -> Integer

bin2int = foldr (\x y -> x + 2*y) 0

Contando en la arena

PorJosé A. Alonso 2-marzo-20179-marzo-2017

El problema de ayer de ¡Acepta el reto! fue Contando en la arena cuyo enunciado es el siguiente:

Es ampliamente conocido que escribimos los números utilizando base 10, en la que expresamos las cantidades utilizando 10 dígitos distintos (0…9). El valor de cada uno de ellos depende de la posición que ocupe dentro del número, pues cada dígito se multiplica por una potencia de 10 distinta según cuál sea esa posición.

La descomposición, por ejemplo, del número 1.234 es: 1.234 = 1×10^3 + 2×10^2 + 3×10^1 + 4×10^0

Otra base muy conocida es la base 2 al ser la utilizada por los dispositivos electrónicos. En ella sólo hay dos dígitos distintos (0 y 1), que se ven multiplicados por potencias de 2.

Mucho antes de que llegaran la base 2, la base 10 e incluso los números romanos, los primeros seres humanos contaban haciendo surcos en la arena, muescas en un trozo de madera o colocando palos en línea. Estaban, sin saberlo, usando base 1. En ella sólo hay un símbolo y cada dígito es multiplicado por una potencia de 1. Dado que 1^n = 1 el resultado es que todos los dígitos tienen el mismo peso.

Definir la función

   transformaAbase1 :: FilePath -> FilePath -> IO ()

1	transformaAbase1 :: FilePath -> FilePath -> IO ()

tal que al evaluar (transformaAbase1 f1 f2) lee el contenido del fichero f1 (que estará compuesto por distintos números mayores que 0, cada uno en una línea) y escribe en el fichero f2 una línea con la representación en base 1 de cada uno de los números de f1 excepto el 0 final. Por ejemplo, si el contenido de «Entrada.txt» es

al evaluar (transformaAbase1 «Entrada.txt» «Salida.txt») el contenido de «Salida.txt» debe de ser

1
1111
111111

1111

111111

Soluciones

transformaAbase1 :: FilePath -> FilePath -> IO ()
transformaAbase1 f1 f2 = do
  cs <- readFile f1
  writeFile f2 (transformaAbase1Aux cs)

-- (transformaAbase1Aux cs) es la cadena obtenida transformando a base 1
-- cada uno de los números de cs. Por ejemplo,
--    λ> transformaAbase1Aux "1\n4\n6\n0\n" 
--    "1\n1111\n111111\n"
transformaAbase1Aux :: String -> String
transformaAbase1Aux cs =
  unlines (map (show . enBase1) (numeros cs))

-- (numeros cs) es la lista de los números de cs, excepto el último. Por
-- ejemplo, 
--    numeros "1\n4\n6\n0\n"  ==  [1,4,6]
numeros :: String -> [Integer]
numeros cs  =
  init (map read (lines cs))

-- (enBsase1 x) es la representación de x en base 1. Por ejemplo,
--    enBase1 4  ==  1111
enBase1 :: Integer -> Integer
enBase1 x = (10^x - 1) `div` 9

transformaAbase1 :: FilePath -> FilePath -> IO ()

transformaAbase1 f1 f2 = do

cs <- readFile f1

writeFile f2 (transformaAbase1Aux cs)

-- (transformaAbase1Aux cs) es la cadena obtenida transformando a base 1

-- cada uno de los números de cs. Por ejemplo,

-- λ> transformaAbase1Aux "1\n4\n6\n0\n"

-- "1\n1111\n111111\n"

transformaAbase1Aux :: String -> String

transformaAbase1Aux cs =

unlines (map (show . enBase1) (numeros cs))

-- (numeros cs) es la lista de los números de cs, excepto el último. Por

-- ejemplo,

-- numeros "1\n4\n6\n0\n" == [1,4,6]

numeros :: String -> [Integer]

numeros cs =

init (map read (lines cs))

-- (enBsase1 x) es la representación de x en base 1. Por ejemplo,

-- enBase1 4 == 1111

enBase1 :: Integer -> Integer

enBase1 x = (10^x - 1) `div` 9

Máxima potencia que divide al factorial

PorJosé A. Alonso 26-enero-20172-febrero-2017

La máxima potencia de 2 que divide al factorial de 5 es 3, ya que 5! = 120, 120 es divisible por 2^3 y no lo es por 2^4.

Definir la función

   maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

1	maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

tal que (maxPotDivFact p n), para cada primo p, es el mayor k tal que p^k divide al factorial de n. Por ejemplo,

   maxPotDivFact 2 5       ==  3
   maxPotDivFact 3 6       ==  2
   maxPotDivFact 2 10      ==  8
   maxPotDivFact 3 10      ==  4
   maxPotDivFact 2 (10^2)  ==  97
   maxPotDivFact 2 (10^3)  ==  994
   maxPotDivFact 2 (10^4)  ==  9995
   maxPotDivFact 2 (10^5)  ==  99994
   maxPotDivFact 2 (10^6)  ==  999993
   maxPotDivFact 3 (10^5)  ==  49995
   maxPotDivFact 3 (10^6)  ==  499993
   maxPotDivFact 7 (10^5)  ==  16662
   maxPotDivFact 7 (10^6)  ==  166664
   length (show (maxPotDivFact 2 (10^20000)))  ==  20000

maxPotDivFact 2 5 == 3

maxPotDivFact 3 6 == 2

maxPotDivFact 2 10 == 8

maxPotDivFact 3 10 == 4

maxPotDivFact 2 (10^2) == 97

maxPotDivFact 2 (10^3) == 994

maxPotDivFact 2 (10^4) == 9995

maxPotDivFact 2 (10^5) == 99994

maxPotDivFact 2 (10^6) == 999993

maxPotDivFact 3 (10^5) == 49995

maxPotDivFact 3 (10^6) == 499993

maxPotDivFact 7 (10^5) == 16662

maxPotDivFact 7 (10^6) == 166664

length (show (maxPotDivFact 2 (10^20000))) == 20000

Soluciones

import Data.List (genericIndex, genericTake)
import Data.Numbers.Primes (primes)
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición
maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact p n =
  head [k | k <- [0..], f `mod` (p^k) /= 0] - 1
  where f = product [1..n]

-- 1ª definición
maxPotDivFact2 :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact2 p n
  | n < p     = 0
  | otherwise = m + maxPotDivFact2 p m
  where m = n `div` p  
  
-- 3ª definición
maxPotDivFact3 :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact3 p = sum . takeWhile (> 0) . tail . iterate (`div` p)

-- Comparación de eficiencia
--    λ> maxPotDivFact 2 (10^4)
--    9995
--    (5.47 secs, 161,040,624 bytes)
--    λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)
--    9995
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)
--    9995
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--
--    λ> length (show (maxPotDivFact2 2 (10^20000)))
--    20000
--    (1.93 secs, 592,168,544 bytes)
--    λ> length (show (maxPotDivFact3 2 (10^20000)))
--    20000
--    (2.93 secs, 861,791,504 bytes)

import Data.List (genericIndex, genericTake)

import Data.Numbers.Primes (primes)

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición

maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact p n =

head [k | k <- [0..], f `mod` (p^k) /= 0] - 1

where f = product [1..n]

-- 1ª definición

maxPotDivFact2 :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact2 p n

| n < p = 0

| otherwise = m + maxPotDivFact2 p m

where m = n `div` p

-- 3ª definición

maxPotDivFact3 :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact3 p = sum . takeWhile (> 0) . tail . iterate (`div` p)

-- Comparación de eficiencia

-- λ> maxPotDivFact 2 (10^4)

-- 9995

-- (5.47 secs, 161,040,624 bytes)

-- λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)

-- 9995

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)

-- 9995

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> length (show (maxPotDivFact2 2 (10^20000)))

-- 20000

-- (1.93 secs, 592,168,544 bytes)

-- λ> length (show (maxPotDivFact3 2 (10^20000)))

-- 20000

-- (2.93 secs, 861,791,504 bytes)

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