genericLength

Teorema de Liouville sobre listas CuCu

PorJosé A. Alonso 3-enero-202010-enero-2020

Una lista CuCu es una lista de números enteros positivos tales que la suma de sus Cubos es igual al Cuadrado de su suma. Por ejemplo, [1, 2, 3, 2, 4, 6] es una lista CuCu ya que

   1³ + 2³ + 3³ + 2³ + 4³ + 6³ = (1 + 2 + 3 + 2 + 4 + 6)²

1	1³ + 2³ + 3³ + 2³ + 4³ + 6³ = (1 + 2 + 3 + 2 + 4 + 6)²

La lista de Liouville correspondiente al número entero positivo n es la lista formada por el número de divisores de cada divisor de n. Por ejemplo, para el número 20 se tiene que sus divisores son

   1, 2, 4, 5, 10, 20

1	1, 2, 4, 5, 10, 20

puesto que el número de sus divisores es

El 1 tiene 1 divisor (el 1 solamente).
El 2 tiene 2 divisores (el 1 y el 2).
El 4 tiene 3 divisores (el 1, el 2 y el 4).
El 5 tiene 2 divisores (el 1 y el 5).
El 10 tiene 4 divisores (el 1, el 2, el 5 y el 10).
El 20 tiene 6 divisores (el 1, el 2, el 4, el 5, el 10 y el 20).

la lista de Liouville de 20 es [1, 2, 3, 2, 4, 6] que, como se comentó anteriormente, es una lista CuCu.

El teorema de Lioville afirma que todas las lista de Lioville son CuCu.

Definir las funciones

   esCuCu :: [Integer] -> Bool
   liouville :: Integer -> [Integer]

1 2	esCuCu :: [Integer] -> Bool liouville :: Integer -> [Integer]

tales que

(esCuCu xs) se verifica si la lista xs es CuCu; es decir, la suma de los cubos de sus elementos es igual al cuadrado de su suma. Por ejemplo,

     esCuCu [1,2,3]        ==  True
     esCuCu [1,2,3,2]      ==  False
     esCuCu [1,2,3,2,4,6]  ==  True

esCuCu [1,2,3] == True

esCuCu [1,2,3,2] == False

esCuCu [1,2,3,2,4,6] == True

(liouville n) es la lista de Lioville correspondiente al número n. Por ejemplo,

     liouville 20  ==  [1,2,3,2,4,6]
     liouville 60  ==  [1,2,2,3,2,4,4,6,4,6,8,12]
     length (liouville (product [1..25]))  ==  340032

liouville 20 == [1,2,3,2,4,6]

liouville 60 == [1,2,2,3,2,4,4,6,4,6,8,12]

length (liouville (product [1..25])) == 340032

Comprobar con QuickCheck

que para todo entero positivo n, (liouville (2^n)) es la lista [1,2,3,…,n+1] y
el teorema de Lioville; es decir, para todo entero positivo n, (liouville n) es una lista CuCu.

Nota: Este ejercicio está basado en Cómo generar conjuntos CuCu de Gaussianos.

Soluciones

import Data.List (genericLength, group, inits, sort)
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
import Test.QuickCheck

esCuCu :: [Integer] -> Bool
esCuCu xs = sum (map (^3) xs) == (sum xs)^2

-- 1ª definición de liouville
-- ==========================

liouville :: Integer -> [Integer]
liouville n = map numeroDivisores (divisores n)

-- (divisores x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo, 
--   divisores 30  ==  [1,2,3,5,6,10,15,30]
divisores :: Integer -> [Integer]
divisores n = [x | x <- [1..n], n `mod` x == 0]

-- (numeroDivisores x) es el número de divisores de x. Por ejemplo, 
--    numeroDivisores 12  ==  6
--    numeroDivisores 25  ==  3
numeroDivisores :: Integer -> Integer
numeroDivisores n = genericLength (divisores n) 

  -- 2ª definición de liouville
-- ============================

liouville2 :: Integer -> [Integer]
liouville2 n = map numeroDivisores2 (divisores2 n)

-- Se usan las funciones
-- + divisores de "Conjunto de divisores" http://bit.ly/2OtbFIj
-- + numeroDivisores de "Número de divisores" http://bit.ly/2DgVh74

-- (divisores2 x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo, 
--   divisores2 30  ==  [1,2,3,5,6,10,15,30]
divisores2 :: Integer -> [Integer]
divisores2 = sort
           . map (product . concat)
           . sequence
           . map inits
           . group
           . primeFactors

-- (numeroDivisores2 x) es el número de divisores de x. Por ejemplo, 
--    numeroDivisores2 12  ==  6
--    numeroDivisores2 25  ==  3
numeroDivisores2 :: Integer -> Integer
numeroDivisores2 =
  product . map ((+1) . genericLength) . group . primeFactors

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

-- La comparación es
--    λ> length (liouville (product [1..11]))
--    540
--    (13.66 secs, 7,983,550,640 bytes)
--    λ> length (liouville2 (product [1..11]))
--    540
--    (0.01 secs, 1,255,328 bytes)

-- Propiedad
-- =========

-- La propiedad es
prop_Liouville :: Integer -> Property
prop_Liouville n =
  n > 0 ==> liouville2 (2^n) == [1..n+1]

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

-- Teorema de Liouville
-- ====================

-- La propiedad es
teorema_Liouville :: Integer -> Property
teorema_Liouville n =
  n > 0 ==> esCuCu (liouville n)

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

import Data.List (genericLength, group, inits, sort)

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

import Test.QuickCheck

esCuCu :: [Integer] -> Bool

esCuCu xs = sum (map (^3) xs) == (sum xs)^2

-- 1ª definición de liouville

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

liouville :: Integer -> [Integer]

liouville n = map numeroDivisores (divisores n)

-- (divisores x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo,

-- divisores 30 == [1,2,3,5,6,10,15,30]

divisores :: Integer -> [Integer]

divisores n = [x | x <- [1..n], n `mod` x == 0]

-- (numeroDivisores x) es el número de divisores de x. Por ejemplo,

-- numeroDivisores 12 == 6

-- numeroDivisores 25 == 3

numeroDivisores :: Integer -> Integer

numeroDivisores n = genericLength (divisores n)

-- 2ª definición de liouville

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

liouville2 :: Integer -> [Integer]

liouville2 n = map numeroDivisores2 (divisores2 n)

-- Se usan las funciones

-- + divisores de "Conjunto de divisores" http://bit.ly/2OtbFIj

-- + numeroDivisores de "Número de divisores" http://bit.ly/2DgVh74

-- (divisores2 x) es el conjunto de divisores de los x. Por ejemplo,

-- divisores2 30 == [1,2,3,5,6,10,15,30]

divisores2 :: Integer -> [Integer]

divisores2 = sort

. map (product . concat)

. sequence

. map inits

. group

. primeFactors

-- (numeroDivisores2 x) es el número de divisores de x. Por ejemplo,

-- numeroDivisores2 12 == 6

-- numeroDivisores2 25 == 3

numeroDivisores2 :: Integer -> Integer

numeroDivisores2 =

product . map ((+1) . genericLength) . group . primeFactors

-- Comparación de eficiencia

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

-- La comparación es

-- λ> length (liouville (product [1..11]))

-- 540

-- (13.66 secs, 7,983,550,640 bytes)

-- λ> length (liouville2 (product [1..11]))

-- 540

-- (0.01 secs, 1,255,328 bytes)

-- Propiedad

-- =========

-- La propiedad es

prop_Liouville :: Integer -> Property

prop_Liouville n =

n > 0 ==> liouville2 (2^n) == [1..n+1]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_Liouville

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Teorema de Liouville

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

-- La propiedad es

teorema_Liouville :: Integer -> Property

teorema_Liouville n =

n > 0 ==> esCuCu (liouville n)

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck teorema_Liouville

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

¡Oh, tarde viva y quieta
que opuso al panta rhei su nada corre.

Antonio Machado

Derivada aritmética

PorJosé A. Alonso 31-diciembre-20197-enero-2020

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)

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

1 2	D(6) = D(23) = D(2)3 + 2D(3) = 13 + 21 = 5 D(12) = D(26) = D(2)6 + 2D(6) = 16 + 25 = 16

Definir la función

   derivada :: Integer -> Integer

1	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

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)

1	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)]

1	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.

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

Arithmetic derivative en Wikipedia.
Sucesión A003415 de OEIS.

Pensamiento

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

Antonio Machado

Posiciones de conjuntos finitos de naturales

PorJosé A. Alonso 27-diciembre-20193-enero-2020

En un ejercicio anterior se mostró que los conjuntos finitos de números naturales se pueden enumerar como sigue

    0: []
    1: [0]
    2: [1]
    3: [1,0]
    4: [2]
    5: [2,0]
    6: [2,1]
    7: [2,1,0]
    8: [3]
    9: [3,0]
   10: [3,1]
   11: [3,1,0]
   12: [3,2]
   13: [3,2,0]
   14: [3,2,1]
   15: [3,2,1,0]
   16: [4]
   17: [4,0]
   18: [4,1]
   19: [4,1,0]

0: []

1: [0]

2: [1]

3: [1,0]

4: [2]

5: [2,0]

6: [2,1]

7: [2,1,0]

8: [3]

9: [3,0]

10: [3,1]

11: [3,1,0]

12: [3,2]

13: [3,2,0]

14: [3,2,1]

15: [3,2,1,0]

16: [4]

17: [4,0]

18: [4,1]

19: [4,1,0]

en la que los elementos están ordenados de manera decreciente.

Además, se definió la constante

   enumeracionCFN :: [[Integer]]

1	enumeracionCFN :: [[Integer]]

tal que sus elementos son los conjuntos de los números naturales con la ordenación descrita anteriormente. Por ejemplo,

   λ> take 20 enumeracionCFN
   [[],
    [0],
    [1],[1,0],
    [2],[2,0],[2,1],[2,1,0],
    [3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0],
    [4],[4,0],[4,1],[4,1,0]]

λ> take 20 enumeracionCFN

[[],

[0],

[1],[1,0],

[2],[2,0],[2,1],[2,1,0],

[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0],

[4],[4,0],[4,1],[4,1,0]]

Definir la función

   posicion :: [Integer] -> Integer

1	posicion :: [Integer] -> Integer

tal que (posicion xs) es la posición del conjunto finito de números naturales xs, representado por una lista decreciente, en enumeracionCFN. Por ejemplo,

   posicion [2,0]          ==  5
   posicion [2,1]          ==  6
   posicion [2,1,0]        ==  7
   posicion [0]            ==  1
   posicion [1,0]          ==  3
   posicion [2,1,0]        ==  7
   posicion [3,2,1,0]      ==  15
   posicion [4,3,2,1,0]    ==  31
   posicion [5,4,3,2,1,0]  ==  63
   length (show (posicion [3*10^7])) == 9030900

posicion [2,0] == 5

posicion [2,1] == 6

posicion [2,1,0] == 7

posicion [0] == 1

posicion [1,0] == 3

posicion [2,1,0] == 7

posicion [3,2,1,0] == 15

posicion [4,3,2,1,0] == 31

posicion [5,4,3,2,1,0] == 63

length (show (posicion [3*10^7])) == 9030900

Comprobar con QuickCheck que para todo número natural n,

   posicion [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1.

1	posicion [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1.

Soluciones

import Data.List (genericLength, nub, sort)
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

posicion :: [Integer] -> Integer
posicion xs =
  genericLength (takeWhile (< xs) enumeracionCFN)

enumeracionCFN :: [[Integer]]
enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración
-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,
--    λ> enumeracionCFNHasta 1
--    [[1],[1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 2
--    [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]
--    λ> enumeracionCFNHasta 3
--    [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]
enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]
enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]
enumeracionCFNHasta n =
  [n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución
-- ===========

posicion2 :: [Integer] -> Integer
posicion2 []     = 0
posicion2 (x:xs) = 2^x + posicion2 xs

-- 3ª solución
-- ===========

posicion3 :: [Integer] -> Integer
posicion3 = foldr (\x -> (+) (2^x)) 0 

-- 4ª solución
-- ===========

posicion4 :: [Integer] -> Integer
posicion4 xs = sum [2^x | x <- xs ]

-- Equivalencia de las definiciones
-- ================================

-- La propiedad es
prop_equiv :: [Integer] -> Bool
prop_equiv xs =
  all (== posicion xs') [f xs' | f <- [ posicion2
                                      , posicion3
                                      , posicion4]]
  where xs' = reverse (sort (nub (map abs xs)))

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=15}) prop_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.

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

-- La comparación es
--    λ> posicion [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    (2.61 secs, 1,754,265,776 bytes)
--    λ> posicion2 [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    (0.01 secs, 111,808 bytes)
--    λ> posicion3 [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    λ> posicion4 [19,18,17,16,14,9,6]
--    1000000
--    (0.01 secs, 111,704 bytes)

--    λ> length (show (posicion2 [3*10^7]))
--    9030900
--    (2.06 secs, 571,911,304 bytes)
--    λ> length (show (posicion3 [3*10^7]))
--    9030900
--    (2.06 secs, 571,911,544 bytes)
--    λ> length (show (posicion4 [3*10^7]))
--    9030900
--    (2.05 secs, 571,911,464 bytes)

-- Propiedad
-- =========

-- La propiedad es
prop_posicion :: Integer -> Property
prop_posicion n =
  n >= 0 ==> posicion3 [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1

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

import Data.List (genericLength, nub, sort)

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

posicion :: [Integer] -> Integer

posicion xs =

genericLength (takeWhile (< xs) enumeracionCFN)

enumeracionCFN :: [[Integer]]

enumeracionCFN = concatMap enumeracionCFNHasta [0..]

-- (enumeracionCFNHasta n) es la lista de conjuntos con la enumeración

-- anterior cuyo primer elemento es n. Por ejemplo,

-- λ> enumeracionCFNHasta 1

-- [[1],[1,0]]

-- λ> enumeracionCFNHasta 2

-- [[2],[2,0],[2,1],[2,1,0]]

-- λ> enumeracionCFNHasta 3

-- [[3],[3,0],[3,1],[3,1,0],[3,2],[3,2,0],[3,2,1],[3,2,1,0]]

enumeracionCFNHasta :: Integer -> [[Integer]]

enumeracionCFNHasta 0 = [[],[0]]

enumeracionCFNHasta n =

[n:xs | k <- [0..n-1], xs <- enumeracionCFNHasta k]

-- 2ª solución

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

posicion2 :: [Integer] -> Integer

posicion2 [] = 0

posicion2 (x:xs) = 2^x + posicion2 xs

-- 3ª solución

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

posicion3 :: [Integer] -> Integer

posicion3 = foldr (\x -> (+) (2^x)) 0

-- 4ª solución

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

posicion4 :: [Integer] -> Integer

posicion4 xs = sum [2^x | x <- xs ]

-- Equivalencia de las definiciones

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

-- La propiedad es

prop_equiv :: [Integer] -> Bool

prop_equiv xs =

all (== posicion xs') [f xs' | f <- [ posicion2

, posicion3

, posicion4]]

where xs' = reverse (sort (nub (map abs xs)))

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=15}) prop_equiv

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

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

-- La comparación es

-- λ> posicion [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- (2.61 secs, 1,754,265,776 bytes)

-- λ> posicion2 [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- (0.01 secs, 111,808 bytes)

-- λ> posicion3 [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- λ> posicion4 [19,18,17,16,14,9,6]

-- 1000000

-- (0.01 secs, 111,704 bytes)

-- λ> length (show (posicion2 [3*10^7]))

-- 9030900

-- (2.06 secs, 571,911,304 bytes)

-- λ> length (show (posicion3 [3*10^7]))

-- 9030900

-- (2.06 secs, 571,911,544 bytes)

-- λ> length (show (posicion4 [3*10^7]))

-- 9030900

-- (2.05 secs, 571,911,464 bytes)

-- Propiedad

-- =========

-- La propiedad es

prop_posicion :: Integer -> Property

prop_posicion n =

n >= 0 ==> posicion3 [n,n-1..0] == 2^(n+1) - 1

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_posicion

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

¡Volar sin alas donde todo es cielo!

Antonio Machado

Factorización prima

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

La descomposición prima de 600 es

   600 = 2³ * 3 * 5²

1	600 = 2³ * 3 * 5²

Definir la función

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

1	factorizacion :: Integer -> [(Integer,Integer)]

tal que (factorizacion x) ses la lista de las bases y exponentes de la descomposición prima de x. Por ejemplo,

   factorizacion 600  ==  [(2,3),(3,1),(5,2)]
   length (factorizacion (product [1..3*10^4]))  ==  3245

1 2	factorizacion 600 == [(2,3),(3,1),(5,2)] length (factorizacion (product [1..3*10^4])) == 3245

Soluciones

import Data.List (genericLength, group, inits, nub, sort, subsequences)
import Data.Numbers.Primes (primes, primeFactors)

-- 1ª solución
-- ===========

factorizacion :: Integer -> [(Integer,Integer)]
factorizacion n =
  [(x,nOcurrencias x xs) | x <- elementos xs]
  where xs = factoresPrimos n

-- (factores primos n) es la lista de los factores primos de n. Por
-- ejemplo, 
--   factoresPrimos 600  ==  [2,2,2,3,5,5]
factoresPrimos :: Integer -> [Integer]
factoresPrimos 1 = []
factoresPrimos n = x : factoresPrimos (n `div` x)
  where x = menorFactor n

-- (menorFactor n) es el menor factor primo de n. Por ejemplo,
--   menorFactor 10  ==  2
--   menorFactor 11  ==  11
menorFactor :: Integer -> Integer
menorFactor n = head [x | x <- [2..n], n `mod` x == 0]

-- (elementos xs) es la lista de los elementos, sin repeticiones, de
-- xs. Por ejemplo,
--   elementos [3,2,3,5,2]  ==  [3,2,5]
elementos :: Eq a => [a] -> [a]
elementos [] = []
elementos (x:xs) = x : elementos (filter (/=x) xs)

-- (nOcurrencias x ys) es el número de ocurrencias de x en ys. Por
-- ejemplo, 
--   nOcurrencias 'a' "Salamanca"  ==  4
nOcurrencias :: Eq a => a -> [a] -> Integer
nOcurrencias x ys = genericLength (filter (==x) ys) 

-- 2ª solución
-- ===========

factorizacion2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
factorizacion2 n =
  [(head xs,genericLength xs) | xs <- group (primeFactors n)]

-- 3ª solución
-- ===========

factorizacion3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
factorizacion3 = map primeroYlongitud
               . group
               . primeFactors

-- (primeroYlongitud xs) es el par formado por el primer elemento de xs
-- y la longitud de xs. Por ejemplo,
--    primeroYlongitud [3,2,5,7] == (3,4)
primeroYlongitud :: [a] -> (a,Integer)
primeroYlongitud (x:xs) =
  (x, 1 + genericLength xs)

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

--   λ> length (factorizacion (product [1..10^4]))
--   1229
--   (4.84 secs, 2,583,331,768 bytes)
--   λ> length (factorizacion2 (product [1..10^4]))
--   1229
--   (0.24 secs, 452,543,360 bytes)
--   λ> length (factorizacion3 (product [1..10^4]))
--   1229
--   (0.23 secs, 452,433,504 bytes)
--   
--   λ> length (factorizacion (product (take (2*10^3) primes)))
--   2000
--   (6.58 secs, 3,415,098,552 bytes)
--   λ> length (factorizacion2 (product (take (2*10^3) primes)))
--   2000
--   (0.02 secs, 23,060,512 bytes)
--   λ> length (factorizacion3 (product (take (2*10^3) primes)))
--   2000
--   (0.02 secs, 22,882,080 bytes)

import Data.List (genericLength, group, inits, nub, sort, subsequences)

import Data.Numbers.Primes (primes, primeFactors)

-- 1ª solución

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

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

factorizacion n =

[(x,nOcurrencias x xs) | x <- elementos xs]

where xs = factoresPrimos n

-- (factores primos n) es la lista de los factores primos de n. Por

-- ejemplo,

-- factoresPrimos 600 == [2,2,2,3,5,5]

factoresPrimos :: Integer -> [Integer]

factoresPrimos 1 = []

factoresPrimos n = x : factoresPrimos (n `div` x)

where x = menorFactor n

-- (menorFactor n) es el menor factor primo de n. Por ejemplo,

-- menorFactor 10 == 2

-- menorFactor 11 == 11

menorFactor :: Integer -> Integer

menorFactor n = head [x | x <- [2..n], n `mod` x == 0]

-- (elementos xs) es la lista de los elementos, sin repeticiones, de

-- xs. Por ejemplo,

-- elementos [3,2,3,5,2] == [3,2,5]

elementos :: Eq a => [a] -> [a]

elementos [] = []

elementos (x:xs) = x : elementos (filter (/=x) xs)

-- (nOcurrencias x ys) es el número de ocurrencias de x en ys. Por

-- ejemplo,

-- nOcurrencias 'a' "Salamanca" == 4

nOcurrencias :: Eq a => a -> [a] -> Integer

nOcurrencias x ys = genericLength (filter (==x) ys)

-- 2ª solución

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

factorizacion2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

factorizacion2 n =

[(head xs,genericLength xs) | xs <- group (primeFactors n)]

-- 3ª solución

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

factorizacion3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

factorizacion3 = map primeroYlongitud

. group

. primeFactors

-- (primeroYlongitud xs) es el par formado por el primer elemento de xs

-- y la longitud de xs. Por ejemplo,

-- primeroYlongitud [3,2,5,7] == (3,4)

primeroYlongitud :: [a] -> (a,Integer)

primeroYlongitud (x:xs) =

(x, 1 + genericLength xs)

-- Comparación de eficiencia de sumaDivisores

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

-- λ> length (factorizacion (product [1..10^4]))

-- 1229

-- (4.84 secs, 2,583,331,768 bytes)

-- λ> length (factorizacion2 (product [1..10^4]))

-- 1229

-- (0.24 secs, 452,543,360 bytes)

-- λ> length (factorizacion3 (product [1..10^4]))

-- 1229

-- (0.23 secs, 452,433,504 bytes)

-- λ> length (factorizacion (product (take (2*10^3) primes)))

-- 2000

-- (6.58 secs, 3,415,098,552 bytes)

-- λ> length (factorizacion2 (product (take (2*10^3) primes)))

-- 2000

-- (0.02 secs, 23,060,512 bytes)

-- λ> length (factorizacion3 (product (take (2*10^3) primes)))

-- 2000

-- (0.02 secs, 22,882,080 bytes)

Pensamiento

¿Todo para los demás?
Mancebo, llena tu jarro,
que ya te lo beberán.

Antonio Machado

Número de emparejamientos de amigos

PorJosé A. Alonso 30-abril-201919-mayo-2019

El problema del número de emparejamiento de amigos consiste en calcular el número de formas de emparejar n amigos teniendo en cuenta que cada uno puede permanecer soltero o puede ser emparejado con algún otro amigo y que cada amigo puede ser emparejado sólo una vez. Por ejemplo, los 4 posibles emparejamientos de 3 amigos son

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

{1}, {2}, {3}

{1}, {2, 3}

{1, 2}, {3}

{1, 3}, {2}

Definir la función

   nEmparejamientos :: Integer -> Integer

1	nEmparejamientos :: Integer -> Integer

tal que (nEmparejamientos n) es el número de formas de emparejar a los n amigos. Por ejemplo,

   nEmparejamientos 2   ==  2
   nEmparejamientos 3   ==  4
   nEmparejamientos 4   ==  10
   nEmparejamientos 10  ==  9496
   nEmparejamientos 30  ==  606917269909048576
   length (show (nEmparejamientos3 (10^4)))  ==  17872

nEmparejamientos 2 == 2

nEmparejamientos 3 == 4

nEmparejamientos 4 == 10

nEmparejamientos 10 == 9496

nEmparejamientos 30 == 606917269909048576

length (show (nEmparejamientos3 (10^4))) == 17872

Soluciones

import Data.List (delete, genericLength)
import Data.Array

-- 1ª solución
-- ===========

nEmparejamientos :: Integer -> Integer
nEmparejamientos = genericLength . emparejamientos

emparejamientos :: Integer -> [[[Integer]]]
emparejamientos n = aux [1..n]
  where aux [] = [[]]
        aux (x:xs) = [[x] : ps | ps <- aux xs] ++
                     [[x,y] : ps | y <- xs, ps <- aux (delete y xs)]

-- 2ª solución
-- ===========

nEmparejamientos2 :: Integer -> Integer
nEmparejamientos2 0 = 1
nEmparejamientos2 1 = 1
nEmparejamientos2 2 = 2
nEmparejamientos2 n = nEmparejamientos2 (n - 1) + (n - 1) * nEmparejamientos2 (n - 2)

-- 3ª solución
-- ===========

nEmparejamientos3 :: Integer -> Integer
nEmparejamientos3 n = (vectorEmparejamientos n) ! n

-- (vectorEmparejamientos n) es el vector con índices de 0 a n tal que el valor
-- de la posición i es el número de formas de emparejar a i amigos. Por ejemplo,
--    λ> vectorEmparejamientos 7
--    array (0,7) [(0,1),(1,1),(2,2),(3,4),(4,10),(5,26),(6,76),(7,232)]
vectorEmparejamientos :: Integer -> Array Integer Integer
vectorEmparejamientos n = v where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
  f 0 = 1
  f 1 = 1
  f 2 = 2
  f n = v!(n-1) + (n-1)*v!(n-2)

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

--    λ> nEmparejamientos 12
--    140152
--    (1.81 secs, 280,218,616 bytes)
--    λ> nEmparejamientos2 12
--    140152
--    (0.01 secs, 177,168 bytes)
--    λ> nEmparejamientos3 12
--    140152
--    (0.01 secs, 108,816 bytes)
--    
--    λ> nEmparejamientos2 30
--    606917269909048576
--    (3.97 secs, 449,224,280 bytes)
--    λ> nEmparejamientos3 30
--    606917269909048576
--    (0.01 secs, 135,160 bytes)

import Data.List (delete, genericLength)

import Data.Array

-- 1ª solución

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

nEmparejamientos :: Integer -> Integer

nEmparejamientos = genericLength . emparejamientos

emparejamientos :: Integer -> [[[Integer]]]

emparejamientos n = aux [1..n]

where aux [] = [[]]

aux (x:xs) = [[x] : ps | ps <- aux xs] ++

[[x,y] : ps | y <- xs, ps <- aux (delete y xs)]

-- 2ª solución

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

nEmparejamientos2 :: Integer -> Integer

nEmparejamientos2 0 = 1

nEmparejamientos2 1 = 1

nEmparejamientos2 2 = 2

nEmparejamientos2 n = nEmparejamientos2 (n - 1) + (n - 1) * nEmparejamientos2 (n - 2)

-- 3ª solución

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

nEmparejamientos3 :: Integer -> Integer

nEmparejamientos3 n = (vectorEmparejamientos n) ! n

-- (vectorEmparejamientos n) es el vector con índices de 0 a n tal que el valor

-- de la posición i es el número de formas de emparejar a i amigos. Por ejemplo,

-- λ> vectorEmparejamientos 7

-- array (0,7) [(0,1),(1,1),(2,2),(3,4),(4,10),(5,26),(6,76),(7,232)]

vectorEmparejamientos :: Integer -> Array Integer Integer

vectorEmparejamientos n = v where

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

f 0 = 1

f 1 = 1

f 2 = 2

f n = v!(n-1) + (n-1)*v!(n-2)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> nEmparejamientos 12

-- 140152

-- (1.81 secs, 280,218,616 bytes)

-- λ> nEmparejamientos2 12

-- 140152

-- (0.01 secs, 177,168 bytes)

-- λ> nEmparejamientos3 12

-- 140152

-- (0.01 secs, 108,816 bytes)

-- λ> nEmparejamientos2 30

-- 606917269909048576

-- (3.97 secs, 449,224,280 bytes)

-- λ> nEmparejamientos3 30

-- 606917269909048576

-- (0.01 secs, 135,160 bytes)

Pensamiento

Toda la imaginería
que no ha brotado del río,
barata bisutería.

Antonio Machado

Posiciones de conjuntos finitos de naturales

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