fromIntegral

Cálculo de dígitos de pi y su distribución

PorJosé A. Alonso 3-abril-201925-abril-2021

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)

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]

1 2	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]

1 2	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]

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]

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)

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)

Pensamiento

¿Cuál es la verdad? ¿El río
que fluye y pasa
donde el barco y el barquero
son también ondas de agua?
¿O este soñar del marino
siempre con ribera y ancla?

Antonio Machado

Caminos minimales en un árbol numérico

PorJosé A. Alonso 19-marzo-201930-marzo-2019

En la librería Data.Tree se definen los tipos de árboles y 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
import Test.QuickCheck

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

import Test.QuickCheck

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)

Pensamiento

Tras el vivir y el soñar,
está lo que más importa:
despertar.

Antonio Machado

Número de descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

PorJosé A. Alonso 1-marzo-201926-marzo-2022

Definir la función

   nDescomposiciones       :: Int -> Int
   graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()

1 2	nDescomposiciones :: Int -> Int graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()

tales que

(nDescomposiciones x) es el número de listas de los cuadrados de cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.

     nDescomposiciones 4      ==  1
     nDescomposiciones 5      ==  0
     nDescomposiciones 7      ==  4
     nDescomposiciones 10     ==  6
     nDescomposiciones 15     ==  12
     nDescomposiciones 50000  ==  5682

nDescomposiciones 4 == 1

nDescomposiciones 5 == 0

nDescomposiciones 7 == 4

nDescomposiciones 10 == 6

nDescomposiciones 15 == 12

nDescomposiciones 50000 == 5682

(graficaDescomposiciones n) dibuja la gráfica del número de descomposiciones de los n primeros números naturales. Por ejemplo, (graficaDescomposiciones 500) dibuja

Soluciones

import Data.Array
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

nDescomposiciones :: Int -> Int
nDescomposiciones = length . descomposiciones

-- (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de
-- cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por  ejemplo. 
--    λ> descomposiciones 4
--    [[1,1,1,1]]
--    λ> descomposiciones 5
--    []
--    λ> descomposiciones 7
--    [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]
--    λ> descomposiciones 10
--    [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]
--    λ> descomposiciones 15
--    [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],
--     [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]
descomposiciones :: Int -> [[Int]]
descomposiciones x = aux x 4
  where 
    aux 0 1 = []
    aux 1 1 = [[1]]
    aux 2 1 = []
    aux 3 1 = []
    aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]
            | otherwise    = []
    aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]
                        , zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Int -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Int -> Int
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 

-- 2ª solución
-- =============

nDescomposiciones2 :: Int -> Int
nDescomposiciones2 = length . descomposiciones2

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]
descomposiciones2 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = []
    f 1 1 = [[1]]
    f 2 1 = []
    f 3 1 = []
    f i 1 | esCuadrado i = [[i]]
          | otherwise    = []
    f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]
                      , zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- 3ª solución
-- ===========

nDescomposiciones3 :: Int -> Int
nDescomposiciones3 x = aux x 4
  where
    aux 0 1 = 0
    aux 1 1 = 1
    aux 2 1 = 0
    aux 3 1 = 0
    aux y 1 | esCuadrado y = 1
            | otherwise    = 0
    aux y n = sum [aux (y - x^2) (n-1) | x <- [1..raizEntera y]]

-- 4ª solución
-- ===========

nDescomposiciones4 :: Int -> Int
nDescomposiciones4 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = 0
    f 1 1 = 1
    f 2 1 = 0
    f 3 1 = 0
    f i 1 | esCuadrado i = 1
          | otherwise    = 0
    f i j = sum [a ! (i- x^2,j-1) | x <- [1..raizEntera i]]

-- Comprobación de equivalencia
-- ============================

-- La propiedad es
prop_nDescomposiciones :: Positive Int -> Bool
prop_nDescomposiciones (Positive x) =
  all (== nDescomposiciones x) [f x | f <- [ nDescomposiciones2
                                           , nDescomposiciones3
                                           , nDescomposiciones4]]

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_nDescomposiciones
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> nDescomposiciones 20000
--    1068
--    (3.69 secs, 3,307,250,128 bytes)
--    λ> nDescomposiciones2 20000
--    1068
--    (0.72 secs, 678,419,328 bytes)
--    λ> nDescomposiciones3 20000
--    1068
--    (3.94 secs, 3,485,725,552 bytes)
--    λ> nDescomposiciones4 20000
--    1068
--    (0.74 secs, 716,022,456 bytes)
--    
--    λ> nDescomposiciones2 50000
--    5682
--    (2.64 secs, 2,444,206,000 bytes)
--    λ> nDescomposiciones4 50000
--    5682
--    (2.77 secs, 2,582,443,448 bytes)

-- Definición de graficaDescomposiciones
-- =====================================

graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()
graficaDescomposiciones n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG ("Numero_de_descomposiciones_en_sumas_de_cuadrados.png")
           ]
           (map nDescomposiciones3 [0..n])

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

import Data.Array

import Graphics.Gnuplot.Simple

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

-- ===========

nDescomposiciones :: Int -> Int

nDescomposiciones = length . descomposiciones

-- (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de

-- cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.

-- λ> descomposiciones 4

-- [[1,1,1,1]]

-- λ> descomposiciones 5

-- []

-- λ> descomposiciones 7

-- [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]

-- λ> descomposiciones 10

-- [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]

-- λ> descomposiciones 15

-- [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],

-- [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]

descomposiciones :: Int -> [[Int]]

descomposiciones x = aux x 4

where

aux 0 1 = []

aux 1 1 = [[1]]

aux 2 1 = []

aux 3 1 = []

aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]

| otherwise = []

aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]

, zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Int -> Bool

esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual

-- que n. Por ejemplo,

-- raizEntera 15 == 3

-- raizEntera 16 == 4

-- raizEntera 17 == 4

raizEntera :: Int -> Int

raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral

-- 2ª solución

-- =============

nDescomposiciones2 :: Int -> Int

nDescomposiciones2 = length . descomposiciones2

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]

descomposiciones2 x = a ! (x,4)

where

a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]

f 0 1 = []

f 1 1 = [[1]]

f 2 1 = []

f 3 1 = []

f i 1 | esCuadrado i = [[i]]

| otherwise = []

f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]

, zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- 3ª solución

-- ===========

nDescomposiciones3 :: Int -> Int

nDescomposiciones3 x = aux x 4

where

aux 0 1 = 0

aux 1 1 = 1

aux 2 1 = 0

aux 3 1 = 0

aux y 1 | esCuadrado y = 1

| otherwise = 0

aux y n = sum [aux (y - x^2) (n-1) | x <- [1..raizEntera y]]

-- 4ª solución

-- ===========

nDescomposiciones4 :: Int -> Int

nDescomposiciones4 x = a ! (x,4)

where

a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]

f 0 1 = 0

f 1 1 = 1

f 2 1 = 0

f 3 1 = 0

f i 1 | esCuadrado i = 1

| otherwise = 0

f i j = sum [a ! (i- x^2,j-1) | x <- [1..raizEntera i]]

-- Comprobación de equivalencia

-- ============================

-- La propiedad es

prop_nDescomposiciones :: Positive Int -> Bool

prop_nDescomposiciones (Positive x) =

all (== nDescomposiciones x) [f x | f <- [ nDescomposiciones2

, nDescomposiciones3

, nDescomposiciones4]]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_nDescomposiciones

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> nDescomposiciones 20000

-- 1068

-- (3.69 secs, 3,307,250,128 bytes)

-- λ> nDescomposiciones2 20000

-- 1068

-- (0.72 secs, 678,419,328 bytes)

-- λ> nDescomposiciones3 20000

-- 1068

-- (3.94 secs, 3,485,725,552 bytes)

-- λ> nDescomposiciones4 20000

-- 1068

-- (0.74 secs, 716,022,456 bytes)

-- λ> nDescomposiciones2 50000

-- 5682

-- (2.64 secs, 2,444,206,000 bytes)

-- λ> nDescomposiciones4 50000

-- 5682

-- (2.77 secs, 2,582,443,448 bytes)

-- Definición de graficaDescomposiciones

-- =====================================

graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()

graficaDescomposiciones n =

plotList [ Key Nothing

, PNG ("Numero_de_descomposiciones_en_sumas_de_cuadrados.png")

]

(map nDescomposiciones3 [0..n])

Pensamiento

Ya habrá cigüeñas al sol,
mirando la tarde roja,
entre Moncayo y Urbión.

Antonio Machado

Descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

PorJosé A. Alonso 28-febrero-20197-marzo-2019

Definir la función

   descomposiciones :: Int -> [[Int]]

1	descomposiciones :: Int -> [[Int]]

tal que (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.

   λ> descomposiciones 4
   [[1,1,1,1]]
   λ> descomposiciones 5
   []
   λ> descomposiciones 7
   [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]
   λ> descomposiciones 10
   [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]
   λ> descomposiciones 15
   [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],
    [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]
   λ> length (descomposiciones 50000)
   5682

λ> descomposiciones 4

[[1,1,1,1]]

λ> descomposiciones 5

[]

λ> descomposiciones 7

[[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]

λ> descomposiciones 10

[[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]

λ> descomposiciones 15

[[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],

[4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]

λ> length (descomposiciones 50000)

5682

Soluciones

import Data.Array
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición
-- =============

descomposiciones :: Int -> [[Int]]
descomposiciones x = aux x 4
  where 
    aux 0 1 = []
    aux 1 1 = [[1]]
    aux 2 1 = []
    aux 3 1 = []
    aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]
            | otherwise    = []
    aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]
                        , zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Int -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Int -> Int
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 

-- 2ª definición
-- =============

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]
descomposiciones2 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = []
    f 1 1 = [[1]]
    f 2 1 = []
    f 3 1 = []
    f i 1 | esCuadrado i = [[i]]
          | otherwise    = []
    f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]
                      , zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- Comprobación de equivalencia
-- ============================

-- La propiedad es
prop_descomposiciones :: Positive Int -> Bool
prop_descomposiciones (Positive x) =
  descomposiciones x == descomposiciones2 x

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_descomposiciones
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

-- La comparación es
--    λ> length (descomposiciones (2*10^4))
--    1068
--    (3.70 secs, 3,307,251,704 bytes)
--    λ> length (descomposiciones2 (2*10^4))
--    1068
--    (0.72 secs, 678,416,144 bytes)

import Data.Array

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición

-- =============

descomposiciones :: Int -> [[Int]]

descomposiciones x = aux x 4

where

aux 0 1 = []

aux 1 1 = [[1]]

aux 2 1 = []

aux 3 1 = []

aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]

| otherwise = []

aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]

, zs <- aux (y - x^2) (n-1)]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Int -> Bool

esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual

-- que n. Por ejemplo,

-- raizEntera 15 == 3

-- raizEntera 16 == 4

-- raizEntera 17 == 4

raizEntera :: Int -> Int

raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral

-- 2ª definición

-- =============

descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]

descomposiciones2 x = a ! (x,4)

where

a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]

f 0 1 = []

f 1 1 = [[1]]

f 2 1 = []

f 3 1 = []

f i 1 | esCuadrado i = [[i]]

| otherwise = []

f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]

, zs <- a ! (i - x^2,j-1)]

-- Comprobación de equivalencia

-- ============================

-- La propiedad es

prop_descomposiciones :: Positive Int -> Bool

prop_descomposiciones (Positive x) =

descomposiciones x == descomposiciones2 x

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_descomposiciones

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- La comparación es

-- λ> length (descomposiciones (2*10^4))

-- 1068

-- (3.70 secs, 3,307,251,704 bytes)

-- λ> length (descomposiciones2 (2*10^4))

-- 1068

-- (0.72 secs, 678,416,144 bytes)

Pensamiento

No extrañéis, dulces amigos,
que esté mi frente arrugada;
yo vivo en paz con los hombres
y en guerra con mis entrañas.

Antonio Machado

Número de sumandos en suma de cuadrados

PorJosé A. Alonso 21-febrero-201926-marzo-2022

El teorema de Lagrange de los cuatro cuadrados asegura que cualquier número entero positivo es la suma de, como máximo,cuatro cuadrados de números enteros. Por ejemplo,

   16 = 4²
   29 = 2² + 5²  
   14 = 1² + 2² + 3²
   15 = 1² + 1² + 2² + 3²

16 = 4²

29 = 2² + 5²

14 = 1² + 2² + 3²

15 = 1² + 1² + 2² + 3²

Definir las funciones

   ordenLagrange        :: Integer -> Int
   graficaOrdenLagrange :: Integer -> IO ()

1 2	ordenLagrange :: Integer -> Int graficaOrdenLagrange :: Integer -> IO ()

tales que

(ordenLagrange n) es el menor número de cuadrados necesarios para escribir n como suma de cuadrados. Por ejemplo.

     ordenLagrange 16     ==  1
     ordenLagrange 29     ==  2
     ordenLagrange 14     ==  3
     ordenLagrange 15     ==  4
     ordenLagrange 10000  ==  1
     ordenLagrange 10001  ==  2
     ordenLagrange 10002  ==  3
     ordenLagrange 10007  ==  4

ordenLagrange 16 == 1

ordenLagrange 29 == 2

ordenLagrange 14 == 3

ordenLagrange 15 == 4

ordenLagrange 10000 == 1

ordenLagrange 10001 == 2

ordenLagrange 10002 == 3

ordenLagrange 10007 == 4

(graficaOrdenLagrange n) dibuja la gráfica de los órdenes de Lagrange de los n primeros números naturales. Por ejemplo, (graficaOrdenLagrange 100) dibuja

Comprobar con QuickCheck que. para todo entero positivo k, el orden de Lagrange de k es menos o igual que 4, el de 4k+3 es distinto de 2 y el de 8k+7 es distinto de 3.

Soluciones

import Data.Array (Array, (!), array)
import Graphics.Gnuplot.Simple

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición
-- =============

ordenLagrange :: Integer -> Int
ordenLagrange n
  | esCuadrado n = 1
  | otherwise    = 1 + minimum [ ordenLagrange (n - x^2)
                               | x <- [1..raizEntera n]]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Integer -> Integer
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 

-- 2ª definición
-- =============

ordenLagrange2 :: Integer -> Int
ordenLagrange2 n = (vectorOrdenLagrange n) ! n

vectorOrdenLagrange :: Integer -> Array Integer Int
vectorOrdenLagrange n = v where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
  f i | esCuadrado i = 1
      | otherwise    = 1 + minimum [ v ! (i - j^2)
                                   | j <- [1..raizEntera i]]

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

-- La comparación es
--    λ> ordenLagrange 50
--    2
--    (10.39 secs, 1,704,144,464 bytes)
--    λ> ordenLagrange2 50
--    2
--    (0.01 secs, 341,920 bytes)

-- Definición de graficaOrdenLagrange
-- ==================================

graficaOrdenLagrange :: Integer -> IO ()
graficaOrdenLagrange n = 
  plotList [ Key Nothing
           , PNG ("Numero_de_sumandos_en_suma_de_cuadrados.png")
           ]
           (map ordenLagrange2 [0..n-1])

-- Comprobación de la propiedad
-- ============================

-- La propiedad es
prop_OrdenLagrange :: Positive Integer -> Bool
prop_OrdenLagrange (Positive k) =
  ordenLagrange2 k <= 4 &&
  ordenLagrange2 (4*k+3) /= 2 &&
  ordenLagrange2 (8*k+7) /= 3

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_OrdenLagrange
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.Array (Array, (!), array)

import Graphics.Gnuplot.Simple

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición

-- =============

ordenLagrange :: Integer -> Int

ordenLagrange n

| esCuadrado n = 1

| otherwise = 1 + minimum [ ordenLagrange (n - x^2)

| x <- [1..raizEntera n]]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Integer -> Bool

esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x

-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual

-- que n. Por ejemplo,

-- raizEntera 15 == 3

-- raizEntera 16 == 4

-- raizEntera 17 == 4

raizEntera :: Integer -> Integer

raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral

-- 2ª definición

-- =============

ordenLagrange2 :: Integer -> Int

ordenLagrange2 n = (vectorOrdenLagrange n) ! n

vectorOrdenLagrange :: Integer -> Array Integer Int

vectorOrdenLagrange n = v where

v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]

f i | esCuadrado i = 1

| otherwise = 1 + minimum [ v ! (i - j^2)

| j <- [1..raizEntera i]]

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- La comparación es

-- λ> ordenLagrange 50

-- 2

-- (10.39 secs, 1,704,144,464 bytes)

-- λ> ordenLagrange2 50

-- 2

-- (0.01 secs, 341,920 bytes)

-- Definición de graficaOrdenLagrange

-- ==================================

graficaOrdenLagrange :: Integer -> IO ()

graficaOrdenLagrange n =

plotList [ Key Nothing

, PNG ("Numero_de_sumandos_en_suma_de_cuadrados.png")

]

(map ordenLagrange2 [0..n-1])

-- Comprobación de la propiedad

-- ============================

-- La propiedad es

prop_OrdenLagrange :: Positive Integer -> Bool

prop_OrdenLagrange (Positive k) =

ordenLagrange2 k <= 4 &&

ordenLagrange2 (4*k+3) /= 2 &&

ordenLagrange2 (8*k+7) /= 3

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_OrdenLagrange

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

— Nuestro español bosteza.
¿Es hambre? ¿Sueño? ¿Hastío?
Doctor, ¿tendrá el estómago vacío?
— El vacío es más bien en la cabeza.

Antonio Machado

Caminos minimales en un árbol numérico

Soluciones

Pensamiento

Número de descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

Soluciones

Pensamiento

Descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

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Número de sumandos en suma de cuadrados

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