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Etiqueta: div

Conjetura de Lemoine

La conjetura de Lemoine afirma que

Todos los números impares mayores que 5 se pueden escribir de la forma p + 2q donde p y q son números primos. Por ejemplo, 47 = 13 + 2 x 17

Definir las funciones

   descomposicionesLemoine :: Integer -> [(Integer,Integer)]
   graficaLemoine :: Integer -> IO ()

tales que

  • (descomposicionesLemoine n) es la lista de pares de primos (p,q) tales que n = p + 2q. Por ejemplo,
     descomposicionesLemoine 5   ==  []
     descomposicionesLemoine 7   ==  [(3,2)]
     descomposicionesLemoine 9   ==  [(5,2),(3,3)]
     descomposicionesLemoine 21  ==  [(17,2),(11,5),(7,7)]
     descomposicionesLemoine 47  ==  [(43,2),(41,3),(37,5),(13,17)]
     descomposicionesLemoine 33  ==  [(29,2),(23,5),(19,7),(11,11),(7,13)]
     length (descomposicionesLemoine 2625)  ==  133
  • (graficaLemoine n) dibuja la gráfica de los números de descomposiciones de Lemoine para los números impares menores o iguales que n. Por ejemplo, (graficaLemoine n 400) dibuja

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Lemoine.

Nota: Basado en Lemoine’s conjecture

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (isPrime, primes)
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Test.QuickCheck
 
descomposicionesLemoine :: Integer -> [(Integer,Integer)]
descomposicionesLemoine n =
  [(p,q) | q <- takeWhile (<=(n-2) `div` 2) primes
         , let p = n - 2 * q
         , isPrime p]
 
graficaLemoine :: Integer -> IO ()
graficaLemoine n = do
  plotList [ Key Nothing
           , Title "Conjetura de Lemoine"
           , PNG "Conjetura_de_Lemoine.png"
           ]
           [(k,length (descomposicionesLemoine k)) | k <- [1,3..n]]
 
-- La conjetura es
prop_conjeturaLemoine :: Integer -> Bool
prop_conjeturaLemoine n =
  not (null (descomposicionesLemoine n'))
  where n' = 7 + 2 * abs n
 
-- Su comprobación es
--    λ> quickCheck prop_conjeturaLemoine
--    +++ 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

“Todo el mundo sabe lo que es una curva, hasta que ha estudiado suficientes matemáticas para confundirse a través del incontable número de posibles excepciones.”

Felix Klein.

Conjetura de Collatz generalizada

Sea p un número primo. Toma un número natural positivo, si es divisible entre un número primo menor que p divídelo entre el menor de dicho divisores, y en otro caso multiplícalo por p y súmale uno; si el resultado no es igual a uno, repite el proceso. Por ejemplo, para p = 7 y empezando en 42 el proceso es

   42
   -> 21   [= 42/2]
   -> 7    [= 21/3]
   -> 50   [= 7*7+1]
   -> 25   [= 50/5]
   -> 5    [= 25/5]
   -> 1    [= 5/5]

La conjetura de Collatz generalizada afirma que este proceso siempre acaba en un número finito de pasos.

Definir la función

   collatzGeneral :: Integer -> Integer -> [Integer]

tal que (collatzGeneral p x) es la sucesión de los elementos obtenidos en el proceso anterior para el primo p enpezando en x. Por ejemplo,

   take 15 (collatzGeneral 7 42) == [42,21,7,50,25,5,1,8,4,2,1,8,4,2,1]
   take 15 (collatzGeneral 3  6) == [6,3,10,5,16,8,4,2,1,4,2,1,4,2,1]
   take 15 (collatzGeneral 5  6) == [6,3,1,6,3,1,6,3,1,6,3,1,6,3,1]
   take 15 (collatzGeneral 7  6) == [6,3,1,8,4,2,1,8,4,2,1,8,4,2,1]
   take 15 (collatzGeneral 9  6) == [6,3,1,10,5,1,10,5,1,10,5,1,10,5,1]

Comprobar con QuickCheck que se verifica la conjetura de Collatz generalizada; es decir, para todos enteros positivos n, x si p es el primo n-ésimo entonces 1 pertenece a (collatzGeneral p x).

Nota: El ejercicio etá basado en el artículo Los primos de la conjetura de Collatz publicado la semana pasada por Francisco R. Villatoro en su blog La Ciencia de la Mula Francis.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primeFactors, primes)
import Test.QuickCheck
 
collatzGeneral :: Integer -> Integer -> [Integer]
collatzGeneral p x =
  iterate (siguiente p) x
 
siguiente :: Integer -> Integer -> Integer
siguiente p x 
  | null xs   = p * x + 1
  | otherwise = x `div` head xs
  where xs = takeWhile (<p) (primeFactors x)
 
prop_collatzGeneral :: Int -> Integer -> Property
prop_collatzGeneral n x =
  n > 0 && x > 0 ==>
  1 `elem` collatzGeneral p x
  where p = primes !! n 
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_collatzGeneral
--    +++ 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

“Las matemáticas son la ciencia que utiliza palabras fáciles para ideas difíciles.”

Edward Kasner y James R. Newman

La menos conocida de las conjeturas de Goldbach

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

Números de Bell

Una partición de un conjunto A es un conjunto de subconjuntos no vacíos de A, disjuntos dos a dos y cuya unión es A. Por ejemplo, el conjunto {1, 2, 3} tiene exactamente 5 particiones:

   {{1}, {2}, {3}}
   {{1,2}, {3}}
   {{1,3}, {2}}
   {{1}, {2,3}}
   {{1,2,3}}

El n-ésimo número de Bell, B(n), es el número de particiones de un conjunto de n elementos. Por lo visto anteriormentem B(3) = 5.

Definir las funciones

   particiones :: [a] -> [[[a]]]
   bell :: Integer -> Integer

tales que

  • (particiones xs) es el conjunto de las particiones de xs. Por ejemplo,
     λ> particiones [1,2]
     [[[1,2]],[[1],[2]]]
     λ> particiones [1,2,3]
     [[[1,2,3]],[[1],[2,3]],[[1,2],[3]],[[2],[1,3]],[[1],[2],[3]]]
     λ> particiones "abcd"
     [["abcd"],["a","bcd"],["ab","cd"],["b","acd"],["abc","d"],["bc","ad"],
      ["ac","bd"],["c","abd"],["a","b","cd"],["a","bc","d"],["a","c","bd"],
      ["ab","c","d"],["b","ac","d"],["b","c","ad"],["a","b","c","d"]]
  • (bell n) es el n-ésimo número de Bell. Por ejemplo,
     λ> bell 3
     5
     λ> map bell [0..10]
     [1,1,2,5,15,52,203,877,4140,21147,115975]

Comprobar con QuickCheck que (bell n) es equivalente a la función B(n) definida por

  • B(0) = 1
  • B(n) = \displaystyle \sum_{k=0}^{n-1} \binom{n-1}{k} B(k)

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Test.QuickCheck
 
-- Definición de particiones
-- =========================
 
particiones :: [a] -> [[[a]]]
particiones [] = [[]]
particiones (x:xs) =
  concat [([x] : yss) : inserta x yss | yss <- ysss]
  where ysss = particiones xs
 
-- (inserta x yss) es la lista obtenida insertando x en cada uno de los
-- elementos de yss. Por ejemplo, 
--    λ> inserta 1 [[2,3],[4],[5,6,7]]
--    [[[1,2,3],[4],[5,6,7]],[[2,3],[1,4],[5,6,7]],[[2,3],[4],[1,5,6,7]]]
inserta :: a -> [[a]] -> [[[a]]]
inserta _ []       = []
inserta x (ys:yss) = ((x:ys):yss) : [ys : zs | zs <- inserta x yss] 
 
-- Definición de Bell
-- ==================
 
bell :: Integer -> Integer
bell n = genericLength (particiones [1..n])
 
-- Propiedad
-- =========
 
prop_Bell :: Integer -> Property
prop_Bell n =
  n >= 0 ==> bell n == b n
 
b :: Integer -> Integer
b 0 = 1
b n = sum [comb (n-1) k * b k | k <- [0..n-1]]
 
comb :: Integer -> Integer -> Integer
comb n k = product [n-k+1..n] `div` product [1..k]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_Bell
--    +++ OK, passed 100 tests.

Otras soluciones

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  • El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=”haskell”> y otra con </pre>

Pensamiento

“Cambiemos nuestra actitud tradicional en la construcción de programas. En lugar de imaginar que nuestra tarea principal es indicarle a una computadora lo que debe hacer, concentrémonos más bien en explicarle a los seres humanos lo que queremos que haga una computadora.”

Donald Knuth.

Máximos locales en los números de descomposiciones de Goldbach

La conjetura de Goldbach afirma que todo número entero mayor que 2 se puede expresar como suma de dos primos.

Las descomposiciones de Goldbach son las maneras de expresar un número como suma de dos primos. Por ejemplo, el número 10 tiene dos descomposiciones de Goldbach ya que se puede expresar como la suma de 3 y 7 y la suma de 5 y 5.

Definir las funciones

   descomposicionesGoldbach :: Integer -> [(Integer,Integer)]
   numeroGoldbach :: Integer -> Integer
   tieneMaximoLocalGoldbach :: Integer -> Bool

tales que

  • (descomposicionesGoldbach n) es la lista de las descomposiciones de Goldbach del número n. Por ejemplo,
     descomposicionesGoldbach 5   ==  [(2,3)]
     descomposicionesGoldbach 10  ==  [(3,7),(5,5)]
     descomposicionesGoldbach 22  ==  [(3,19),(5,17),(11,11)]
     descomposicionesGoldbach 34  ==  [(3,31),(5,29),(11,23),(17,17)]
     descomposicionesGoldbach 35  ==  []
     descomposicionesGoldbach (9+10^9)  ==  [(2,1000000007)]
  • (numeroGolbach n) es el número de descomposiciones de Goldbach del número n. Por ejemplo,
     numeroGoldbach 5         ==  1
     numeroGoldbach 10        ==  2
     numeroGoldbach 22        ==  3
     numeroGoldbach 34        ==  4
     numeroGoldbach 35        ==  0
     numeroGoldbach (9+10^9)  ==  1
     maximum [numeroGoldbach n | n <- [2..3000]]  ==  128
  • (tieneMaximoLocalGoldbach n) se verifica si en n se alcanza un máximo local en el número de descomposiciones de Goldbach; es decir, los números n tales que el número de descomposiciones de Goldbach de n es mayor o igual que las de n-1 y las de n+1. Por ejemplo,
     λ> filter tieneMaximoLocalGoldbach [1..45]
     [1,2,4,5,6,7,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40,42,44]

En el ejemplo anterior se comprueba que en los múltiplos de 6 (es decir, en 6, 12, 18, 24, 30, 36 y 42), el número de descomposiciones de Goldbach alcanza un máximo local. Comprobar con QuickCheck que esta propiedad se cumple en general; es decir, para todo entero positivo n, el número de descomposiciones de Goldbach en 6n es un máximo local.

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Data.Numbers.Primes (primes, isPrime)
import Test.QuickCheck
 
-- Definiciones de descomposicionesGoldbach
-- ========================================
 
-- 1ª definición
descomposicionesGoldbach1 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
descomposicionesGoldbach1 n =
  [(p,n-p) | p <- takeWhile (<= n `div` 2) primes
           , isPrime (n-p)]
 
-- 2ª definición
descomposicionesGoldbach2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
descomposicionesGoldbach2 n
  | odd n     = [(2,n-2) | isPrime (n-2)]
  | otherwise = [(p,n-p) | p <- takeWhile (<= n `div` 2) primes
                         , isPrime (n-p)]                               
 
-- Comparación de eficiencia 
--    λ> descomposicionesGoldbach1 (9+10^8)
--    [(2,100000007)]
--    (10.75 secs, 32,177,389,480 bytes)
--    λ> descomposicionesGoldbach2 (9+10^8)
--    [(2,100000007)]
--    (0.01 secs, 3,228,912 bytes)
 
-- En lo que sigue, usaremos la 2ª definición
descomposicionesGoldbach :: Integer -> [(Integer,Integer)]
descomposicionesGoldbach = descomposicionesGoldbach2
 
-- Definición de numeroGolbach
-- ===========================
 
numeroGoldbach :: Integer -> Integer
numeroGoldbach = genericLength . descomposicionesGoldbach
 
-- Definición de tieneMaximoLocalGoldbach
-- ======================================
 
tieneMaximoLocalGoldbach :: Integer -> Bool
tieneMaximoLocalGoldbach n =
  numeroGoldbach (n-1) <= x && x >= numeroGoldbach (n+1)
  where x = numeroGoldbach n
 
-- La propiedad es
prop_Goldbach :: Integer -> Property
prop_Goldbach n =
  n > 0 ==> tieneMaximoLocalGoldbach (6*n)
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_Goldbach
--    +++ OK, passed 100 tests.

Otras soluciones

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  • El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=”haskell”> y otra con </pre>

Referencia

Pensamiento

Te abanicaras
con un madrigal que diga:
en amor el olvido pone la sal.

Antonio Machado

Enteros como sumas de tres coprimos.

Dos números enteros son coprimos (o primos entre sí) si no tienen ningún factor primo en común. Por ejemplo, 4 y 15 son coprimos.

Una terna coprima es una terna (a,b,c) tal que

  • a y b son coprimos,
  • a y c son coprimos y
  • b y c son coprimos.

Por ejemplo, (3,4,5) es una terna coprima.

Definir la función

   sumas3coprimos :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]

tal que (sumas3coprimos n) es la lista de las ternas coprimas cuya suma es n. Por ejemplo,

   sumas3coprimos 10  ==  [(2,3,5)]
   sumas3coprimos 11  ==  []
   sumas3coprimos 12  ==  [(2,3,7),(3,4,5)]
   length (sumas3coprimos 4000)  ==  546146

Comprobar con QuickCheck que todo número entero mayor que 17 se puede escribir como suma de alguna terna coprima; es decir, para todo entero n, (sumas3coprimos2 (18 + abs n)) tiene algún elemento.

Soluciones

import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
sumas3coprimos :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]
sumas3coprimos n =
  [(a,b,c) | a <- [2..n]
           , b <- [a+1..n]
           , c <- [b+1..n]
           , a + b + c == n
           , gcd a b == 1
           , gcd a c == 1
           , gcd b c == 1]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
sumas3coprimos2 :: Integer -> [(Integer,Integer,Integer)]
sumas3coprimos2 n =
  [(a,b,c) | a <- [2..n `div` 3]
           , b <- [a+1..(n - a) `div` 2]
           , gcd a b == 1
           , let c = n - a - b  
           , gcd a c == 1
           , gcd b c == 1]
 
-- Equivalencia de las definiciones
-- ================================
 
-- La propiedad de equivalencia es
prop_sumas3coprimos_equiv :: Integer -> Property
prop_sumas3coprimos_equiv n =
  n > 0 ==> sumas3coprimos n == sumas3coprimos2 n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sumas3coprimos_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> length (sumas3coprimos 400)
--    5345
--    (4.16 secs, 2,894,799,744 bytes)
--    λ> length (sumas3coprimos2 400)
--    5345
--    (0.06 secs, 16,565,136 bytes)
 
-- Propiedad
-- =========
 
-- La propiedad
prop_sumas3coprimos :: Integer -> Bool
prop_sumas3coprimos n =
  not (null (sumas3coprimos2 (18 + abs n)))
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_sumas3coprimos
--    +++ OK, passed 100 tests.

Referencias

Pensamiento

Todo amor es fantasía;
él inventa el año, el día,
la hora y su melodía;
inventa el amante y, más
la amada. No prueba nada,
contra el amor, que la amada
no haya existido jamás.

Antonio Machado

Factorizaciones de 4n+1

Sea S el conjunto

   S = {1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33, 37, 41, 45, ...}

de los enteros positivos congruentes con 1 módulo 4; es decir,

   S = {4n+1 | n ∈ N}

Un elemento n de S es irreducible si sólo es divisible por dos elementos de S: 1 y n. Por ejemplo, 9 es irreducible; pero 45 no lo es (ya que es el proctos de 5 y 9 que son elementos de S).

Definir las funciones

   esIrreducible :: Integer -> Bool
   factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]
   conFactorizacionNoUnica :: [Integer]

tales que

  • (esIrreducible n) se verifica si n es irreducible. Por ejemplo,
     esIrreducible 9   ==  True
     esIrreducible 45  ==  False
  • (factorizaciones n) es la lista de conjuntos de elementos irreducibles de S cuyo producto es n. Por ejemplo,
     factorizaciones 9     ==  [[9]]
     factorizaciones 693   ==  [[9,77],[21,33]]
     factorizaciones 4389  ==  [[21,209],[33,133],[57,77]]
     factorizaciones 2205  ==  [[5,9,49],[5,21,21]]
  • conFactorizacionNoUnica es la lista de elementos de S cuya factorización no es única. Por ejemplo,
     λ> take 10 conFactorizacionNoUnica
     [441,693,1089,1197,1449,1617,1881,1953,2205,2277]

Soluciones

esIrreducible :: Integer -> Bool
esIrreducible n = divisores n == [1,n]
 
-- (divisores n) es el conjunto de elementos de S que dividen a n. Por
-- ejemplo, 
--    divisores 9    ==  [9]
--    divisores 693  ==  [9,21,33,77,693]
divisores :: Integer -> [Integer]
divisores n = [x | x <- [1,5..n], n `mod` x == 0] 
 
factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]
factorizaciones 1 = [[1]]
factorizaciones n
  | esIrreducible n = [[n]]
  | otherwise       = [d:ds | d <- divisores n
                            , esIrreducible d
                            , ds@(e:_) <- factorizaciones (n `div` d)
                            , d <= e]
 
conFactorizacionNoUnica :: [Integer]
conFactorizacionNoUnica =
  [n | n <- [1,5..], length (factorizaciones n) > 1]

Pensamiento

¡Qué bien los nombres ponía
quien puso Sierra Morena
a esta serranía!

Antonio Machado

Derivada aritmética

La derivada aritmética es una función definida sobre los números naturales por analogía con la regla del producto para el cálculo de las derivadas usada en análisis.

Para un número natural n su derivada D(n) se define por

   D(0)  = 0
   D(1)  = 0
   D(p)  = 1, si p es primo
   D(ab) = D(a)b + aD(b) (regla de Leibniz para derivar productos)

Por ejemplo,

   D(6)  = D(2*3) = D(2)*3 + 2*D(3) = 1*3 + 2*1 =  5
   D(12) = D(2*6) = D(2)*6 + 2*D(6) = 1*6 + 2*5 = 16

Definir la función

   derivada :: Integer -> Integer

tal que (derivada n) es la derivada aritmética de n. Por ejemplo,

   derivada  6  ==  5
   derivada 12  ==  16
   maximum [derivada n | n <- [1..60000]]  ==  380928

Comprobar con QuickCheck que si x es un número entero positivo y su descomposición en factores primos es

   x = p(1)^e(1) + p(2)^e(2) +...+ p(n)^e(n)

entonces la derivada de x es

   x * [e(1)/p(1) + e(2)/p(2) +...+ e(n)/p(n)]

Nota: No usar en la definición la propiedad que hay que comprobar.

Soluciones

import Data.List (genericLength, group)
import Data.Numbers.Primes (isPrime, primeFactors)
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
derivada :: Integer -> Integer
derivada 0 = 0
derivada 1 = 0
derivada n | esPrimo n = 1
           | otherwise = (derivada a) * b + a * (derivada b)
  where a = menorFactor n
        b = n `div` a
 
-- (esPrimo n) se verifica si n es primo. Por ejemplo,
--    esPrimo 5  ==  True
--    esPrimo 6  ==  False
esPrimo :: Integer -> Bool
esPrimo 0 = False
esPrimo 1 = False
esPrimo n = n == menorFactor n
 
-- (menorFactor n) es el menor divisor primo de n (con n >= 2). Por
-- ejemplo, 
--    menorFactor 6   ==  2
--    menorFactor 7   ==  7
--    menorFactor 15  ==  3
menorFactor :: Integer -> Integer
menorFactor n
  | even n = 2
  | otherwise = head [x | x <- [3,5..]
                        , n `mod` x == 0]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
derivada2 :: Integer -> Integer
derivada2 0 = 0
derivada2 1 = 0
derivada2 n | isPrime n = 1
            | otherwise = (derivada2 a) * b + a * (derivada2 b)
  where (a:_) = primeFactors n
        b     = n `div` a
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> maximum [derivada n | n <- [1..10000]]
--    53248
--    (1.59 secs, 1,091,452,552 bytes)
--    λ> maximum [derivada2 n | n <- [1..10000]]
--    53248
--    (0.17 secs, 457,819,120 bytes)
 
-- Propiedad
-- =========
 
-- La propiedad es
prop_derivada :: Integer -> Property
prop_derivada x =
  x > 0 ==>
  derivada x == sum [(x * e) `div` p | (p,e) <- factorizacion x]
 
-- (factorizacion x) es la lista de las bases y exponentes de
-- la descomposición prima de x. Por ejemplo,
--    factorizacion 600  ==  [(2,3),(3,1),(5,2)]
factorizacion :: Integer -> [(Integer,Integer)]
factorizacion n =
  [(head xs,genericLength xs) | xs <- group (primeFactors n)]
 
-- Su comprobación es
--    λ> quickCheck prop_derivada
--    +++ OK, passed 100 tests.

Referencias

Pensamiento

En ese jardín, Guiomar,
el mutuo jardín que inventan
dos corazones al par,
se funden y complementan
nuestras horas.

Antonio Machado

El teorema de Navidad de Fermat

El 25 de diciembre de 1640, en una carta a Mersenne, Fermat demostró la conjetura de Girard: todo primo de la forma 4n+1 puede expresarse de manera única como suma de dos cuadrados. Por eso es conocido como el Teorema de Navidad de Fermat.

Definir las funciones

   representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
   primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]
   primos4nM1 :: [Integer]

tales que

  • (representaciones n) es la lista de pares de números naturales (x,y) tales que n = x^2 + y^2 con x <= y. Por ejemplo,
     representaciones  20           ==  [(2,4)]
     representaciones  25           ==  [(0,5),(3,4)]
     representaciones 325           ==  [(1,18),(6,17),(10,15)]
     representaciones 100000147984  ==  [(0,316228)]
     length (representaciones (10^10))    ==  6
     length (representaciones (4*10^12))  ==  7
  • primosImparesConRepresentacionUnica es la lista de los números primos impares que se pueden escribir exactamente de una manera como suma de cuadrados de pares de números naturales (x,y) con x <= y. Por ejemplo,
     λ> take 20 primosImparesConRepresentacionUnica
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]
  • primos4nM1 es la lista de los números primos que se pueden escribir como uno más un múltiplo de 4 (es decir, que son congruentes con 1 módulo 4). Por ejemplo,
     λ> take 20 primos4nM1
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

El teorema de Navidad de Fermat afirma que un número primo impar p se puede escribir exactamente de una manera como suma de dos cuadrados de números naturales p = x² + y^2 (con x <= y) si, y sólo si, p se puede escribir como uno más un múltiplo de 4 (es decir, que es congruente con 1 módulo 4).

Comprobar con QuickCheck el teorema de Navidad de Fermat; es decir, que para todo número n, los n-ésimos elementos de primosImparesConRepresentacionUnica y de primos4nM1 son iguales.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª definición de representaciones
-- =================================
 
representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones n =
  [(x,y) | x <- [0..n], y <- [x..n], n == x*x + y*y]
 
-- 2ª definición de representaciones
-- =================================
 
representaciones2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones2 n =
  [(x,raiz z) | x <- [0..raiz (n `div` 2)] 
              , let z = n - x*x
              , esCuadrado z]
 
-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = x == y * y
  where y = raiz x
 
-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz 25  ==  5
--    raiz 24  ==  4
--    raiz 26  ==  5
raiz :: Integer -> Integer 
raiz 0 = 0
raiz 1 = 1
raiz x = aux (0,x)
    where aux (a,b) | d == x    = c
                    | c == a    = a
                    | d < x     = aux (c,b)
                    | otherwise = aux (a,c) 
              where c = (a+b) `div` 2
                    d = c^2
 
-- 3ª definición de representaciones
-- =================================
 
representaciones3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones3 n =
  [(x,raiz3 z) | x <- [0..raiz3 (n `div` 2)] 
               , let z = n - x*x
               , esCuadrado3 z]
 
-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado3 25  ==  True
--    esCuadrado3 26  ==  False
esCuadrado3 :: Integer -> Bool
esCuadrado3 x = x == y * y
  where y = raiz3 x
 
-- (raiz3 x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz3 25  ==  5
--    raiz3 24  ==  4
--    raiz3 26  ==  5
raiz3 :: Integer -> Integer
raiz3 x = floor (sqrt (fromIntegral x))
 
-- 4ª definición de representaciones
-- =================================
 
representaciones4 :: Integer -> [(Integer, Integer)]
representaciones4 n = aux 0 (floor (sqrt (fromIntegral n)))
  where aux x y
          | x > y     = [] 
          | otherwise = case compare (x*x + y*y) n of
                          LT -> aux (x + 1) y
                          EQ -> (x, y) : aux (x + 1) (y - 1)
                          GT -> aux x (y - 1)
 
-- Equivalencia de las definiciones de representaciones
-- ====================================================
 
-- La propiedad es
prop_representaciones_equiv :: (Positive Integer) -> Bool
prop_representaciones_equiv (Positive n) =
  representaciones  n == representaciones2 n &&
  representaciones2 n == representaciones3 n &&
  representaciones3 n == representaciones4 n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_representaciones_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia de las definiciones de representaciones
-- =================================================================
 
--    λ> representaciones 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (2.86 secs, 1,393,133,528 bytes)
--    λ> representaciones2 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 867,944 bytes)
--    λ> representaciones3 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 173,512 bytes)
--    λ> representaciones4 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 423,424 bytes)
--    
--    λ> length (representaciones2 (10^10))
--    6
--    (3.38 secs, 2,188,903,544 bytes)
--    λ> length (representaciones3 (10^10))
--    6
--    (0.10 secs, 62,349,048 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (10^10))
--    6
--    (0.11 secs, 48,052,360 bytes)
--
--    λ> length (representaciones3 (4*10^12))
--    7
--    (1.85 secs, 1,222,007,176 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (4*10^12))
--    7
--    (1.79 secs, 953,497,480 bytes)
 
-- Definición de primosImparesConRepresentacionUnica
-- =================================================
 
primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]
primosImparesConRepresentacionUnica =
  [x | x <- tail primes
     , length (representaciones4 x) == 1]
 
-- Definición de primos4nM1
-- ========================
 
primos4nM1 :: [Integer]
primos4nM1 = [x | x <- primes
                , x `mod` 4 == 1]
 
-- Teorema de Navidad de Fermat
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_teoremaDeNavidadDeFermat :: Positive Int -> Bool
prop_teoremaDeNavidadDeFermat (Positive n) =
  primosImparesConRepresentacionUnica !! n == primos4nM1 !! n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_teoremaDeNavidadDeFermat
--    +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Dijo Dios: brote la nada
Y alzó su mano derecha,
hasta ocultar su mirada.
Y quedó la nada hecha.

Antonio Machado

Sumas alternas de factoriales

Las primeras sumas alternas de los factoriales son números primos; en efecto,

   3! - 2! + 1! = 5
   4! - 3! + 2! - 1! = 19
   5! - 4! + 3! - 2! + 1! = 101
   6! - 5! + 4! - 3! + 2! - 1! = 619
   7! - 6! + 5! - 4! + 3! - 2! + 1! = 4421
   8! - 7! + 6! - 5! + 4! - 3! + 2! - 1! = 35899

son primos, pero

   9! - 8! + 7! - 6! + 5! - 4! + 3! - 2! + 1! = 326981

no es primo.

Definir las funciones

   sumaAlterna         :: Integer -> Integer
   sumasAlternas       :: [Integer]
   conSumaAlternaPrima :: [Integer]

tales que

  • (sumaAlterna n) es la suma alterna de los factoriales desde n hasta 1. Por ejemplo,
     sumaAlterna 3  ==  5
     sumaAlterna 4  ==  19
     sumaAlterna 5  ==  101
     sumaAlterna 6  ==  619
     sumaAlterna 7  ==  4421
     sumaAlterna 8  ==  35899
     sumaAlterna 9  ==  326981
  • sumasAlternas es la sucesión de las sumas alternas de factoriales. Por ejemplo,
     λ> take 10 sumasAlternas
     [0,1,1,5,19,101,619,4421,35899,326981]
  • conSumaAlternaPrima es la sucesión de los números cuya suma alterna de factoriales es prima. Por ejemplo,
     λ> take 8 conSumaAlternaPrima
     [3,4,5,6,7,8,10,15]

Soluciones

import Data.List (cycle, genericTake)
import Data.Numbers.Primes (isPrime)
 
Definiciones de sumaAlterna                                      --
===========================
 
-- 1ª definición
-- -------------
 
sumaAlterna1 :: Integer -> Integer
sumaAlterna1 1 = 1
sumaAlterna1 n = factorial n - sumaAlterna1 (n-1)
 
factorial :: Integer -> Integer
factorial n = product [1..n]
 
-- 2ª definición
-- -------------
 
sumaAlterna2 :: Integer -> Integer
sumaAlterna2 n = sum (zipWith (*) signos (tail factoriales))
    where
      signos | odd n     = 1 : concat (replicate (m `div` 2) [-1,1])
             | otherwise = concat (replicate (m `div` 2) [-1,1])
      m = fromIntegral n
 
-- factoriales es la lista de los factoriales. Por ejemplo,
--    take 7 factoriales  ==  [1,1,2,6,24,120,720]
factoriales :: [Integer]
factoriales = 1 : scanl1 (*) [1..]
 
-- 3ª definición
-- -------------
 
sumaAlterna3 :: Integer -> Integer
sumaAlterna3 n = 
    sum (genericTake n (zipWith (*) signos (tail factoriales)))
    where signos | odd n     = cycle [1,-1]
                 | otherwise = cycle [-1,1]
 
-- Comparación de eficiencia
-- -------------------------
 
--    λ> sumaAlterna1 3000 `mod` (10^6)
--    577019
--    (5.33 secs, 7,025,937,760 bytes)
--    λ> sumaAlterna2 3000 `mod` (10^6)
--    577019
--    (0.03 secs, 15,738,480 bytes)
--    λ> sumaAlterna3 3000 `mod` (10^6)
--    577019
--    (0.05 secs, 16,520,896 bytes)
 
-- En lo que sigue se usa la 2ª definición
sumaAlterna :: Integer -> Integer
sumaAlterna = sumaAlterna2
 
sumasAlternas                                                    --
=============
 
-- 1ª definición
-- -------------
 
sumasAlternas1 :: [Integer]
sumasAlternas1 = [sumaAlterna n | n <- [0..]]
 
-- 2ª definición
-- -------------
 
sumasAlternas2 :: [Integer]
sumasAlternas2 = 0 : zipWith (-) (tail factoriales) sumasAlternas2
 
Definiciones de conSumaAlternaPrima
===================================
 
-- 1ª definición
-- -------------
 
conSumaAlternaPrima1 :: [Integer]
conSumaAlternaPrima1 =
    [n | n <- [0..], isPrime (sumaAlterna n)]
 
-- 2ª definición
-- -------------
 
conSumaAlternaPrima2 :: [Integer]
conSumaAlternaPrima2 =
    [x | (x,y) <- zip [0..] sumasAlternas2, isPrime y]

Pensamiento

¡Fiat umbra! Brotó el pensar humano.
Y el huevo universal alzó, vacío,
ya sin color, desustanciado y frío.

Antonio Machado