fromIntegral – Exercitium

Operaciones con series de potencias

José A. Alonso, 29-mayo-2020, Medio

Una serie de potencias es una serie de la forma

   a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + ...

Las series de potencias se pueden representar mediante listas infinitas. Por ejemplo, la serie de la función exponencial es

   e^x = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ...

y se puede representar por [1, 1, 1/2, 1/6, 1/24, 1/120, …]

Las operaciones con series se pueden ver como una generalización de las de los polinomios.

En lo que sigue, usaremos el tipo (Serie a) para representar las series de potencias con coeficientes en a y su definición es

   type Serie a = [a]

Definir las siguientes funciones

   opuesta      :: Num a => Serie a -> Serie a
   suma         :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   resta        :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   producto     :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   cociente     :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   derivada     :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a
   integral     :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a
   expx         :: Serie Rational

tales que

(opuesta xs) es la opuesta de la serie xs. Por ejemplo,

     λ> take 7 (opuesta [-6,-4..])
     [6,4,2,0,-2,-4,-6]

(suma xs ys) es la suma de las series xs e ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (suma [1,3..] [2,4..])
     [3,7,11,15,19,23,27]

(resta xs ys) es la resta de las series xs es ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (resta [3,5..] [2,4..])
     [1,1,1,1,1,1,1]
     λ> take 7 (resta ([3,7,11,15,19,23,27] ++ repeat 0) [1,3..])
     [2,4,6,8,10,12,14]

(producto xs ys) es el producto de las series xs e ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (producto [3,5..] [2,4..])
     [6,22,52,100,170,266,392]

(cociente xs ys) es el cociente de las series xs e ys. Por ejemplo,

     λ> take 7 (cociente ([6,22,52,100,170,266,392] ++ repeat 0) [3,5..])
     [2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

(derivada xs) es la derivada de la serie xs. Por ejemplo,

     λ> take 7 (derivada [2,4..])
     [4,12,24,40,60,84,112]

(integral xs) es la integral de la serie xs. Por ejemplo,

     λ> take 7 (integral ([4,12,24,40,60,84,112] ++ repeat 0))
     [0.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

expx es la serie de la función exponencial. Por ejemplo,

     λ> take 8 expx
     [1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]
     λ> take 8 (derivada expx)
     [1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]
     λ> take 8 (integral expx)
     [0 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

Soluciones

type Serie a = [a] 
 
opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a
opuesta = map negate
 
suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
suma = zipWith (+)
 
resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
resta xs ys = suma xs (opuesta ys)
 
producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
producto (x:xs) zs@(y:ys) = 
    x*y : suma (producto xs zs) (map (x*) ys)
 
cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a
cociente (x:xs) (y:ys) = zs 
    where zs = x/y : map (/y) (resta xs (producto zs ys))  
 
derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a
derivada (_:xs) = zipWith (*) xs [1..]
 
integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a
integral xs = 0 : zipWith (/) xs [1..]
 
expx :: Serie Rational
expx = map (1/) (map fromIntegral factoriales)
 
-- 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..]

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Cálculo de pi mediante la fracción continua de Lange

José A. Alonso, 10-abril-2020, Medio

En 1999, L.J. Lange publicó el artículo An elegant new continued fraction for π.

En el primer teorema del artículo se demuestra la siguiente expresión de π mediante una fracción continua
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange$

La primeras aproximaciones son

   a(1) = 3+1                = 4.0
   a(2) = 3+(1/(6+9))        = 3.066666666666667
   a(3) = 3+(1/(6+9/(6+25))) = 3.158974358974359

Definir las funciones

   aproximacionPi :: Int -> Double
   grafica        :: [Int] -> IO ()

tales que

(aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi con la fracción continua de Lange. Por ejemplo,

     aproximacionPi 1     ==  4.0
     aproximacionPi 2     ==  3.066666666666667
     aproximacionPi 3     ==  3.158974358974359
     aproximacionPi 10    ==  3.141287132741557
     aproximacionPi 100   ==  3.141592398533554
     aproximacionPi 1000  ==  3.1415926533392926

(grafica xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi donde k toma los valores de la lista xs. Por ejemplo, (grafica [1..10]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_2$
(grafica [10..100]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_3$
y (grafica [100..200]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_4$

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- fraccionPi es la representación de la fracción continua de pi como un
-- par de listas infinitas.
fraccionPi :: [(Integer, Integer)]
fraccionPi = zip (3 : [6,6..]) (map (^2) [1,3..])
 
-- (aproximacionFC n fc) es la n-ésima aproximación de la fracción
-- continua fc (como un par de listas).  
aproximacionFC :: Int -> [(Integer, Integer)] -> Double
aproximacionFC n =
  foldr (\(a,b) z -> fromIntegral a + fromIntegral b / z) 1 . take n
 
aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n =
  aproximacionFC n fraccionPi
 
grafica :: [Int] -> IO ()
grafica xs = 
  plotList [Key Nothing]
           [(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

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>

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Cálculo de pi mediante la variante de Euler de la serie armónica

José A. Alonso, 9-abril-2020, Inicial

En el artículo El desarrollo más bello de Pi como suma infinita, Miguel Ángel Morales comenta el desarrollo de pi publicado por Leonhard Euler en su libro «Introductio in Analysis Infinitorum» (1748).

El desarrollo es el siguiente

y se obtiene a partir de la serie armónica

modificando sólo el signo de algunos términos según el siguiente criterio:

Dejamos un + cuando el denominador de la fracción sea un 2 o un primo de la forma 4m-1.
Cambiamos a – si el denominador de la fracción es un primo de la forma 4m+1.
Si el número es compuesto ponemos el signo que quede al multiplicar los signos correspondientes a cada factor.

Por ejemplo,

la de denominador 3 = 4×1-1 lleva un +,
la de denominador 5 = 4×1+1 lleva un -,
la de denominador 13 = 4×3+1 lleva un -,
la de denominador 6 = 2×3 lleva un + (porque los dos llevan un +),
la de denominador 10 = 2×5 lleva un – (porque el 2 lleva un + y el 5 lleva un -) y
la de denominador 50 = 5x5x2 lleva un + (un – por el primer 5, otro – por el segundo 5 y un + por el 2).

Definir las funciones

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

tales que

(aproximacionPi n) es la aproximación de pi obtenida sumando los n primeros términos de la serie de Euler. Por ejemplo.

     aproximacionPi 1        ==  1.0
     aproximacionPi 10       ==  2.3289682539682537
     aproximacionPi 100      ==  2.934318000847734
     aproximacionPi 1000     ==  3.0603246224585128
     aproximacionPi 10000    ==  3.1105295744825403
     aproximacionPi 100000   ==  3.134308801935256
     aproximacionPi 1000000  ==  3.1395057903490806

(grafica n) dibuja la gráfica de las aproximaciones de pi usando k sumando donde k toma los valores de la lista [100,110..n]. Por ejemplo, al evaluar (grafica 4000) se obtiene

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- 1ª definición
-- =============
 
aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n =
  sum [1 / fromIntegral (k * signo k) | k <- [1..n]] 
 
signoPrimo :: Int -> Int
signoPrimo 2 = 1
signoPrimo p | p `mod` 4 == 3 = 1
             | otherwise      = -1
 
signo :: Int -> Int
signo n | isPrime n = signoPrimo n
        | otherwise = product (map signoPrimo (primeFactors n))
 
-- 2ª definición
-- =============
 
aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 n = serieEuler !! (n-1)
 
serieEuler :: [Double]
serieEuler =
  scanl1 (+) [1 / fromIntegral (n * signo n) | n <- [1..]]
 
-- Definición de grafica
-- =====================
 
grafica :: Int -> IO ()
grafica n = 
    plotList [Key Nothing]
             [(k,aproximacionPi2 k) | k <- [100,110..n]]

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>

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Cálculo de dígitos de pi y su distribución

José A. Alonso, 8-abril-2020, Inicial

Se pueden generar los dígitos de Pi, como se explica en el artículo Unbounded spigot algorithms for the digits of pi c0on la función digitosPi definida por

   digitosPi :: [Integer]
   digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where
     g (q,r,t,k,n,l) = 
       if 4*q+r-t < n*t
       then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)
       else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

Por ejemplo,

   λ> take 25 digitosPi
   [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3,8,4,6,2,6,4,3]

La distribución de los primeros 25 dígitos de pi es [0,2,3,5,3,3,3,1,2,3] ya que el 0 no aparece, el 1 ocurre 2 veces, el 3 ocurre 3 veces, el 4 ocurre 5 veces, …

Usando digitosPi, definir las siguientes funciones

   distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
   frecuenciaDigitosPi   :: Int -> [Double]

tales que

(distribucionDigitosPi n) es la distribución de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

     λ> distribucionDigitosPi 10
     [0,2,1,2,1,2,1,0,0,1]
     λ> distribucionDigitosPi 100
     [8,8,12,12,10,8,9,8,12,13]
     λ> distribucionDigitosPi 1000
     [93,116,103,103,93,97,94,95,101,105]
     λ> distribucionDigitosPi 5000
     [466,531,496,460,508,525,513,488,492,521]

(frecuenciaDigitosPi n) es la frecuencia de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

   λ> frecuenciaDigitosPi 10
   [0.0,20.0,10.0,20.0,10.0,20.0,10.0,0.0,0.0,10.0]
   λ> frecuenciaDigitosPi 100
   [8.0,8.0,12.0,12.0,10.0,8.0,9.0,8.0,12.0,13.0]
   λ> frecuenciaDigitosPi 1000
   [9.3,11.6,10.3,10.3,9.3,9.7,9.4,9.5,10.1,10.5]
   λ> frecuenciaDigitosPi 5000
   [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

Soluciones

import Data.Array
import Data.List (group, sort)
 
digitosPi :: [Integer]
digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where
  g (q,r,t,k,n,l) = 
    if 4*q+r-t < n*t
    then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)
    else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)
 
-- 1ª definición
-- =============
 
distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi n =
  elems (accumArray (+) 0 (0,9) [ (i,1)
                                | i <- take n digitosPi]) 
 
frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi n]
  where m = fromIntegral n
 
-- 2ª definición
-- =============
 
distribucionDigitosPi2 :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi2 n =
  [length xs - 1 | xs <- group (sort (take n digitosPi ++ [0..9]))]
 
frecuenciaDigitosPi2 :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi2 n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi2 n]
  where m = fromIntegral n
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> last (take 5000 digitosPi)
--    2
--    (4.47 secs, 3,927,848,448 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi2 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.02 secs, 0 bytes)

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Cálculo de pi mediante los métodos de Gregory-Leibniz y de Beeler

José A. Alonso, 7-abril-2020, Avanzado

La fórmula de Gregory-Leibniz para calcular pi es

y la de Beeler es

Definir las funciones

   aproximaPiGL     :: Int -> Double
   aproximaPiBeeler :: Int -> Double
   graficas         :: [Int] -> IO ()

tales que

(aproximaPiGL n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Gregory-Leibniz. Por ejemplo,

     aproximaPiGL 1       ==  4.0
     aproximaPiGL 2       ==  2.666666666666667
     aproximaPiGL 3       ==  3.466666666666667
     aproximaPiGL 10      ==  3.0418396189294032
     aproximaPiGL 100     ==  3.1315929035585537
     aproximaPiGL 1000    ==  3.140592653839794
     aproximaPiGL 10000   ==  3.1414926535900345
     aproximaPiGL 100000  ==  3.1415826535897198

(aproximaPiBeeler n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Beeler. Por ejemplo,

     aproximaPiBeeler 1   ==  2.0
     aproximaPiBeeler 2   ==  2.6666666666666665
     aproximaPiBeeler 3   ==  2.933333333333333
     aproximaPiBeeler 10  ==  3.140578169680337
     aproximaPiBeeler 60  ==  3.141592653589793
     pi                   ==  3.141592653589793

(graficas xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi, donde k toma los valores de la lista xs, con las fórmulas de Gregory-Leibniz y de Beeler. Por ejemplo, (graficas [1..25]) dibuja

donde la línea morada corresponde a la aproximación de Gregory-Leibniz y la verde a la de Beeler.

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- Definiciones de aproximaPiGL
-- ============================
 
-- 1ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL :: Int -> Double
aproximaPiGL n = 4 * (sum . take n . sumaA . zipWith (/) [1,1..]) [1,3..]
  where sumaA (x:y:xs) = x:(-y):sumaA xs
 
-- 2ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL2 :: Int -> Double
aproximaPiGL2 n =
  4 * (sum (take n (zipWith (/) (cycle [1,-1]) [1,3..])))
 
-- 3ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL3 :: Int -> Double
aproximaPiGL3 n =
  4 * (sum . take n . zipWith (/) (cycle [1,-1])) [1,3..]
 
-- 4ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL4 :: Int -> Double
aproximaPiGL4 n = serieGL !! (n-1)
 
serieGL :: [Double]
serieGL = scanl1 (+) (zipWith (/) numeradores denominadores)
  where numeradores   = cycle [4,-4]
        denominadores = [1,3..]
 
-- Definición de aproximaPiBeeler
aproximaPiBeeler :: Int -> Double
aproximaPiBeeler n = 2 * aux (fromIntegral n) 1
  where
    aux :: Double -> Double -> Double 
    aux n k | n == k    = 1
            | otherwise = 1 + (k/(2*k+1)) * aux n (1+k)
 
-- Definición de graficas
graficas :: [Int] -> IO ()
graficas xs = 
    plotLists [Key Nothing]
             [[(k,aproximaPiGL k)     | k <- xs],
              [(k,aproximaPiBeeler k) | k <- xs]]

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