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Etiqueta: Gráficas

La sucesión ECG

La sucesión ECG estás definida por a(1) = 1, a(2) = 2 y, para n >= 3, a(n) es el menor natural que aún no está en la sucesión tal que a(n) tiene algún divisor común con a(n-1).

Los primeros términos de la sucesión son 1, 2, 4, 6, 3, 9, 12, 8, 10, 5, 15, …

Al dibujar su gráfica, se parece a la de los electrocardiogramas (abreviadamente, ECG). Por ello, la sucesión se conoce como la sucesión ECG.

Definir las funciones

   sucECG :: [Integer]
   graficaSucECG :: Int -> IO ()

tales que

  • sucECG es la lista de los términos de la sucesión ECG. Por ejemplo,
     λ> take 20 sucECG
     [1,2,4,6,3,9,12,8,10,5,15,18,14,7,21,24,16,20,22,11]
     λ> sucECG !! 6000
     6237
  • (graficaSucECG n) dibuja la gráfica de los n primeros términos de la sucesión ECG. Por ejemplo, (graficaSucECG 160) dibuja

Soluciones

import Data.List (delete)
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
sucECG :: [Integer]
sucECG = 1 : ecg 2 [2..]
  where ecg x zs = f zs
          where f (y:ys) | gcd x y > 1 = y : ecg y (delete y zs)
                         | otherwise   = f ys
 
graficaSucECG :: Int -> IO ()
graficaSucECG n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG "La_sucesion_ECG.png" 
           ]
           (take n sucECG)

Las sucesiones de Loomis

La sucesión de Loomis generada por un número entero positivo x es la sucesión cuyos términos se definen por

  • f(0) es x
  • f(n) es la suma de f(n-1) y el producto de los dígitos no nulos de f(n-1)

Los primeros términos de las primeras sucesiones de Loomis son

  • Generada por 1: 1, 2, 4, 8, 16, 22, 26, 38, 62, 74, 102, 104, 108, 116, 122, …
  • Generada por 2: 2, 4, 8, 16, 22, 26, 38, 62, 74, 102, 104, 108, 116, 122, 126, …
  • Generada por 3: 3, 6, 12, 14, 18, 26, 38, 62, 74, 102, 104, 108, 116, 122, 126, …
  • Generada por 4: 4, 8, 16, 22, 26, 38, 62, 74, 102, 104, 108, 116, 122, 126, 138, …
  • Generada por 5: 5, 10, 11, 12, 14, 18, 26, 38, 62, 74, 102, 104, 108, 116, 122, …

Se observa que a partir de un término todas coinciden con la generada por 1. Dicho término se llama el punto de convergencia. Por ejemplo,

  • la generada por 2 converge a 2
  • la generada por 3 converge a 26
  • la generada por 4 converge a 4
  • la generada por 5 converge a 26

Definir las siguientes funciones

   sucLoomis           :: Integer -> [Integer]
   convergencia        :: Integer -> Integer
   graficaConvergencia :: [Integer] -> IO ()

tales que

  • (sucLoomis x) es la sucesión de Loomis generada por x. Por ejemplo,
     λ> take 15 (sucLoomis 1)
     [1,2,4,8,16,22,26,38,62,74,102,104,108,116,122]
     λ> take 15 (sucLoomis 2)
     [2,4,8,16,22,26,38,62,74,102,104,108,116,122,126]
     λ> take 15 (sucLoomis 3)
     [3,6,12,14,18,26,38,62,74,102,104,108,116,122,126]
     λ> take 15 (sucLoomis 4)
     [4,8,16,22,26,38,62,74,102,104,108,116,122,126,138]
     λ> take 15 (sucLoomis 5)
     [5,10,11,12,14,18,26,38,62,74,102,104,108,116,122]
     λ> take 15 (sucLoomis 20)
     [20,22,26,38,62,74,102,104,108,116,122,126,138,162,174]
     λ> take 15 (sucLoomis 100)
     [100,101,102,104,108,116,122,126,138,162,174,202,206,218,234]
     λ> sucLoomis 1 !! (2*10^5)
     235180736652
  • (convergencia x) es el término de convergencia de la sucesioń de Loomis generada por x xon la geerada por 1. Por ejemplo,
     convergencia  2      ==  2
     convergencia  3      ==  26
     convergencia  4      ==  4
     convergencia 17      ==  38
     convergencia 19      ==  102
     convergencia 43      ==  162
     convergencia 27      ==  202
     convergencia 58      ==  474
     convergencia 63      ==  150056
     convergencia 81      ==  150056
     convergencia 89      ==  150056
     convergencia (10^12) ==  1000101125092
  • (graficaConvergencia xs) dibuja la gráfica de los términos de convergencia de las sucesiones de Loomis generadas por los elementos de xs. Por ejemplo, (graficaConvergencia ([1..50]) dibuja
    Las_sucesiones_de_Loomis_1
    y graficaConvergencia ([1..148] \ [63,81,89,137]) dibuja
    Las_sucesiones_de_Loomis_2

Soluciones

import Data.List               ((\\))
import Data.Char               (digitToInt)
import Graphics.Gnuplot.Simple (plotList, Attribute (Key, Title, XRange, PNG))
 
-- 1ª definición de sucLoomis
-- ==========================
 
sucLoomis :: Integer -> [Integer]
sucLoomis x = map (loomis x) [0..]
 
loomis :: Integer -> Integer -> Integer
loomis x 0 = x
loomis x n = y + productoDigitosNoNulos y
  where y = loomis x (n-1)
 
productoDigitosNoNulos :: Integer -> Integer
productoDigitosNoNulos = product . digitosNoNulos
 
digitosNoNulos :: Integer -> [Integer]
digitosNoNulos x =
  [read [c] | c <- show x, c /= '0']
 
-- 2ª definición de sucLoomis
-- ==========================
 
sucLoomis2 :: Integer -> [Integer]
sucLoomis2 = iterate siguienteLoomis 
 
siguienteLoomis :: Integer -> Integer
siguienteLoomis y = y + productoDigitosNoNulos y
 
-- 3ª definición de sucLoomis
-- ==========================
 
sucLoomis3 :: Integer -> [Integer]
sucLoomis3 =
  iterate ((+) <*> product .
           map (toInteger . digitToInt) .
           filter (/= '0') . show)
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> sucLoomis 1 !! 30000
--    6571272766
--    (2.45 secs, 987,955,944 bytes)
--    λ> sucLoomis2 1 !! 30000
--    6571272766
--    (2.26 secs, 979,543,328 bytes)
--    λ> sucLoomis3 1 !! 30000
--    6571272766
--    (0.31 secs, 88,323,832 bytes)
 
-- 1ª definición de convergencia
-- =============================
 
convergencia1 :: Integer -> Integer
convergencia1 x =
  head (dropWhile noEnSucLoomisDe1 (sucLoomis x))
 
noEnSucLoomisDe1 :: Integer -> Bool
noEnSucLoomisDe1 x = not (pertenece x sucLoomisDe1)
 
sucLoomisDe1 :: [Integer]
sucLoomisDe1 = sucLoomis 1
 
pertenece :: Integer -> [Integer] -> Bool
pertenece x ys =
  x == head (dropWhile (<x) ys)
 
-- 2ª definición de convergencia
-- =============================
 
convergencia2 :: Integer -> Integer
convergencia2 = aux (sucLoomis3 1) . sucLoomis3
 where aux as@(x:xs) bs@(y:ys) | x == y    = x
                               | x < y     = aux xs bs
                               | otherwise = aux as ys
 
-- 3ª definición de convergencia
-- =============================
 
convergencia3 :: Integer -> Integer
convergencia3 = head . interseccion (sucLoomis3 1) . sucLoomis3
 
-- (interseccion xs ys) es la intersección entre las listas ordenadas xs
-- e ys. Por ejemplo,
--    λ> take 10 (interseccion (sucLoomis3 1) (sucLoomis3 2))
--    [2,4,8,16,22,26,38,62,74,102]
interseccion :: Ord a => [a] -> [a] -> [a]
interseccion = aux
  where aux as@(x:xs) bs@(y:ys) = case compare x y of
                                    LT ->     aux xs bs
                                    EQ -> x : aux xs ys
                                    GT ->     aux as ys
        aux _         _         = []                           
 
-- 4ª definición de convergencia
-- =============================
 
convergencia4 :: Integer -> Integer
convergencia4 x = perteneceA (sucLoomis3 x) 1
  where perteneceA (y:ys) n | y == c    = y
                            | otherwise = perteneceA ys c
          where c = head $ dropWhile (< y) $ sucLoomis3 n
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> convergencia1 (10^4)
--    150056
--    (2.94 secs, 1,260,809,808 bytes)
--    λ> convergencia2 (10^4)
--    150056
--    (0.03 secs, 700,240 bytes)
--    λ> convergencia3 (10^4)
--    150056
--    (0.03 secs, 1,165,496 bytes)
--    λ> convergencia4 (10^4)
--    150056
--    (0.02 secs, 1,119,648 bytes)
--    
--    λ> convergencia2 (10^12)
--    1000101125092
--    (1.81 secs, 714,901,080 bytes)
--    λ> convergencia3 (10^12)
--    1000101125092
--    (1.92 secs, 744,932,184 bytes)
--    λ> convergencia4 (10^12)
--    1000101125092
--    (1.82 secs, 941,053,328 bytes)
 
-- Definición de graficaConvergencia
-- ==================================
 
graficaConvergencia :: [Integer] -> IO ()
graficaConvergencia xs =
  plotList [ Key Nothing
           , Title "Convergencia de sucesiones de Loomis"
           , XRange (fromIntegral (minimum xs),fromIntegral (maximum xs))
           , PNG "Las_sucesiones_de_Loomis_2.png"
           ]
           [(x,convergencia2 x) | x <- xs]

La sucesión de Sylvester

La sucesión de Sylvester es la sucesión que comienza en 2 y sus restantes términos se obtienen multiplicando los anteriores y sumándole 1.

Definir las funciones

   sylvester        :: Integer -> Integer
   graficaSylvester :: Integer -> Integer -> IO ()

tales que

  • (sylvester n) es el n-ésimo término de la sucesión de Sylvester. Por ejemplo,
     λ> [sylvester n | n <- [0..7]]
     [2,3,7,43,1807,3263443,10650056950807,113423713055421844361000443]
     λ> length (show (sylvester 25))
     6830085
  • (graficaSylvester d n) dibuja la gráfica de los d últimos dígitos de los n primeros términos de la sucesión de Sylvester. Por ejemplo,
    • (graficaSylvester 3 30) dibuja
      La_sucesion_de_Sylvester_(3,30)
    • (graficaSylvester 4 30) dibuja
      La_sucesion_de_Sylvester_(4,30)
    • (graficaSylvester 5 30) dibuja
      La_sucesion_de_Sylvester_(5,30)

Nota: Se puede usar programación dinámica para aumentar la eficiencia.

Soluciones

import Data.List               (genericIndex)
import Data.Array              ((!), array)
import Graphics.Gnuplot.Simple (plotList, Attribute (Key, PNG))
 
-- 1ª solución (por recursión)
-- ===========================
 
sylvester1 :: Integer -> Integer
sylvester1 0 = 2
sylvester1 n = 1 + product [sylvester1 k | k <- [0..n-1]]
 
-- 2ª solución (con programación dinámica)
-- =======================================
 
sylvester2 :: Integer -> Integer
sylvester2 n = v ! n where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
  f 0 = 2
  f m = 1 + product [v!k | k <- [0..m-1]]
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
-- Observando que
--    S(n) = 1 + S(0)*S(1)*...*S(n-2)*S(n-1)
--         = 1 + (1 + S(0)*S(1)*...*S(n-2))*S(n-1) - S(n-1)
--         = 1 + S(n-1)*S(n-1) - S(n-1)
--         = 1 + S(n-1)^2 - S(n-1)
-- se obtiene la siguiente definición.
sylvester3 :: Integer -> Integer
sylvester3 0 = 2
sylvester3 n = 1 + x^2 - x
  where x = sylvester3 (n-1)
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
sylvester4 :: Integer -> Integer
sylvester4 n = v ! n where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
  f 0 = 2
  f m = 1 + x^2 - x
    where x = v ! (m-1)
 
-- 5ª solución
-- ===========
 
sylvester5 :: Integer -> Integer
sylvester5 n = sucSylvester5 `genericIndex` n
 
sucSylvester5 :: [Integer]
sucSylvester5 = iterate (\x -> (x-1)*x+1) 2 
 
-- La comparación es
--    λ> length (show (sylvester1 23))
--    1707522
--    (6.03 secs, 4,090,415,704 bytes)
--    λ> length (show (sylvester2 23))
--    1707522
--    (0.33 secs, 109,477,296 bytes)
--    λ> length (show (sylvester3 23))
--    1707522
--    (0.35 secs, 109,395,136 bytes)
--    λ> length (show (sylvester4 23))
--    1707522
--    (0.33 secs, 109,402,440 bytes)
--    λ> length (show (sylvester5 23))
--    1707522
--    (0.30 secs, 108,676,256 bytes)
 
graficaSylvester :: Integer -> Integer -> IO ()
graficaSylvester d n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG ("La_sucesion_de_Sylvester_" ++ show (d,n) ++ ".png")
           ]
           [sylvester5 k `mod` (10^d) | k <- [0..n]]

Huecos de Aquiles

Un número de Aquiles es un número natural n que es potente (es decir, si p es un divisor primo de n, entonces p² también lo es) y no es una potencia perfecta (es decir, no existen números naturales m y k tales que n es igual a m^k). Por ejemplo,

  • 108 es un número de Aquiles proque es un número potente (ya que su factorización es 2^2 · 3^3, sus divisores primos son 2 and 3 y sus cuadrados (2^2 = 4 y 3^2 = 9) son divisores de 108. Además, 108 no es una potencia perfecta.
  • 360 no es un número de Aquiles ya que 5 es un divisor primo de 360, pero 5^2 = 15 no lo es.
  • 784 no es un número de Aquiles porque, aunque es potente, es una potencia perfecta ya que 784 = 28^2.

Los primeros números de Aquiles son

   72, 108, 200, 288, 392, 432, 500, 648, 675, 800, 864, 968, 972, ...

Definir las funciones

   esAquiles              :: Integer -> Bool
   huecosDeAquiles        :: [Integer]
   graficaHuecosDeAquiles :: Int -> IO ()

tales que

  • (esAquiles x) se verifica si x es un número de Aquiles. Por ejemplo,
     esAquiles 108         ==  True
     esAquiles 360         ==  False
     esAquiles 784         ==  False
     esAquiles 5425069447  ==  True
     esAquiles 5425069448  ==  True
  • huecosDeAquiles es la sucesión de la diferencias entre los números de Aquiles consecutivos. Por ejemplo,
     λ> take 15 huecosDeAquiles
     [36,92,88,104,40,68,148,27,125,64,104,4,153,27,171]
  • (graficaHuecosDeAquiles n) dibuja la gráfica de los n primeros huecos de Aquiles. Por ejemplo, (graficaHuecosDeAquiles 160) dibuja

Soluciones

import Data.List (group)
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- Definición de esAquiles
-- =======================
 
esAquiles :: Integer -> Bool
esAquiles x = esPotente x && noEsPotenciaPerfecta x
 
-- (esPotente x) se verifica si x es potente. Por ejemplo,
--    esPotente 108  ==  True
--    esPotente 360  ==  False
--    esPotente 784  ==  True
esPotente :: Integer -> Bool
esPotente x = all (>1) (exponentes x)
 
-- (exponentes x) es la lista de los exponentes en la factorización de
-- x. Por ejemplo,
--    exponentes 108  ==  [2,3]
--    exponentes 360  ==  [3,2,1]
--    exponentes 784  ==  [4,2]
exponentes :: Integer -> [Int]
exponentes x = map length (group (primeFactors x))
 
-- (noEsPotenciaPerfecta x) se verifica si x no es una potencia
-- perfecta. Por ejemplo,
--    noEsPotenciaPerfecta 108  ==  True
--    noEsPotenciaPerfecta 360  ==  True
--    noEsPotenciaPerfecta 784  ==  False
noEsPotenciaPerfecta :: Integer -> Bool
noEsPotenciaPerfecta x = foldl1 gcd (exponentes x) == 1 
 
-- Definición de huecosDeAquiles
-- =============================
 
huecosDeAquiles :: [Integer]
huecosDeAquiles = zipWith (-) (tail aquiles) aquiles
 
-- aquiles es la sucesión de los números de Aquiles. Por ejemplo, 
--    λ> take 15 aquiles
--    [72,108,200,288,392,432,500,648,675,800,864,968,972,1125,1152]
aquiles :: [Integer]
aquiles = filter esAquiles [2..]
 
-- Definición de graficaHuecosDeAquiles
-- ====================================
 
graficaHuecosDeAquiles :: Int -> IO ()
graficaHuecosDeAquiles n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG "Huecos_de_Aquiles.png"
           ]
           (take n huecosDeAquiles)

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>

Cálculo de pi mediante la fracción continua de Lange

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>

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

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
Calculo_de_pi_mediante_la_variante_de_Euler_de_la_serie_armonica_1
y se obtiene a partir de la serie armónica
Calculo_de_pi_mediante_la_variante_de_Euler_de_la_serie_armonica_2
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
    Calculo_de_pi_mediante_la_variante_de_Euler_de_la_serie_armonica_3.png

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>

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

La fórmula de Gregory-Leibniz para calcular pi es
Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_1
y la de Beeler es
Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_2

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
    Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_3
    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]]

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>

Conjetura de Goldbach

Una forma de la conjetura de Golbach afirma que todo entero mayor que 1 se puede escribir como la suma de uno, dos o tres números primos.

Si se define el índice de Goldbach de n > 1 como la mínima cantidad de primos necesarios para que su suma sea n, entonces la conjetura de Goldbach afirma que todos los índices de Goldbach de los enteros mayores que 1 son menores que 4.

Definir las siguientes funciones

   indiceGoldbach  :: Int -> Int
   graficaGoldbach :: Int -> IO ()

tales que

  • (indiceGoldbach n) es el índice de Goldbach de n. Por ejemplo,
     indiceGoldbach 2                        ==  1
     indiceGoldbach 4                        ==  2
     indiceGoldbach 27                       ==  3
     sum (map indiceGoldbach [2..5000])      ==  10619
     maximum (map indiceGoldbach [2..5000])  ==  3
  • (graficaGoldbach n) dibuja la gráfica de los índices de Goldbach de los números entre 2 y n. Por ejemplo, (graficaGoldbach 150) dibuja
    Conjetura_de_Goldbach_150

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Goldbach anterior.

Soluciones

import Data.Array
import Data.Numbers.Primes
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Test.QuickCheck
 
 
-- 1ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach :: Int -> Int
indiceGoldbach n =
  minimum (map length (particiones n))
 
particiones :: Int -> [[Int]]
particiones n = v ! n where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
    where f 0 = [[]]
          f m = [x:y | x <- xs, 
                       y <- v ! (m-x), 
                       [x] >= take 1 y]
            where xs = reverse (takeWhile (<= m) primes)
 
-- 2ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach2 :: Int -> Int
indiceGoldbach2 x =
  head [n | n <- [1..], esSumaDe x n]
 
-- (esSumaDe x n) se verifica si x se puede escribir como la suma de n
-- primos. Por ejemplo,
--    esSumaDe 2  1  ==  True
--    esSumaDe 4  1  ==  False
--    esSumaDe 4  2  ==  True
--    esSumaDe 27 2  ==  False
--    esSumaDe 27 3  ==  True
esSumaDe :: Int -> Int -> Bool
esSumaDe x 1 = isPrime x
esSumaDe x n = or [esSumaDe (x-p) (n-1) | p <- takeWhile (<= x) primes]
 
-- 3ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach3 :: Int -> Int
indiceGoldbach3 x =
  head [n | n <- [1..], esSumaDe3 x n]
 
esSumaDe3 :: Int -> Int -> Bool
esSumaDe3 x n = a ! (x,n) where
  a = array ((2,1),(x,9)) [((i,j),f i j) | i <- [2..x], j <- [1..9]]
  f i 1 = isPrime i
  f i j = or [a!(i-k,j-1) | k <- takeWhile (<= i) primes]
 
-- 4ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach4 :: Int -> Int
indiceGoldbach4 n = v ! n where
  v = array (2,n) [(i,f i) | i <- [2..n]]
  f i | isPrime i = 1
      | otherwise = 1 + minimum [v!(i-p) | p <- takeWhile (< (i-1)) primes]
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> sum (map indiceGoldbach [2..80])
--    142
--    (2.66 secs, 1,194,330,496 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach2 [2..80])
--    142
--    (0.01 secs, 1,689,944 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach3 [2..80])
--    142
--    (0.03 secs, 27,319,296 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach4 [2..80])
--    142
--    (0.03 secs, 47,823,656 bytes)
--    
--    λ> sum (map indiceGoldbach2 [2..1000])
--    2030
--    (0.10 secs, 200,140,264 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach3 [2..1000])
--    2030
--    (3.10 secs, 4,687,467,664 bytes)
 
-- Gráfica
-- =======
 
graficaGoldbach :: Int -> IO ()
graficaGoldbach n =
  plotList [ Key Nothing
           , XRange (2,fromIntegral n)
           , PNG ("Conjetura_de_Goldbach_" ++ show n ++ ".png")
           ]
           [indiceGoldbach2 k | k <- [2..n]]
 
-- Comprobación de la conjetura de Goldbach
-- ========================================
 
-- La propiedad es
prop_Goldbach :: Int -> Property
prop_Goldbach x =
  x >= 2 ==> indiceGoldbach2 x < 4
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_Goldbach
--    +++ OK, passed 100 tests.

Otras soluciones

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Pensamiento

“La diferencia entre los matemáticos y los físicos es que después de que los físicos prueban un gran resultado piensan que es fantástico, pero después de que los matemáticos prueban un gran resultado piensan que es trivial.”

Lucien Szpiro.

La conjetura de Levy

Hyman Levy observó que

    7 = 3 + 2 x 2
    9 = 3 + 2 x 3 =  5 + 2 x 2
   11 = 5 + 2 x 3 =  7 + 2 x 2
   13 = 3 + 2 x 5 =  7 + 2 x 3
   15 = 3 + 2 x 5 = 11 + 2 x 2
   17 = 3 + 2 x 7 =  7 + 2 x 5 = 11 + 2 x 3 = 13 + 2 x 2
   19 = 5 + 2 x 7 = 13 + 2 x 3

y conjeturó que todos los número impares mayores o iguales que 7 se pueden escribir como la suma de un primo y el doble de un primo. El objetivo de los siguientes ejercicios es comprobar la conjetura de Levy.

Definir las siguientes funciones

   descomposicionesLevy :: Integer -> [(Integer,Integer)]
   graficaLevy          :: Integer -> IO ()

tales que

  • (descomposicionesLevy x) es la lista de pares de primos (p,q) tales que x = p + 2q. Por ejemplo,
     descomposicionesLevy  7  ==  [(3,2)]
     descomposicionesLevy  9  ==  [(3,3),(5,2)]
     descomposicionesLevy 17  ==  [(3,7),(7,5),(11,3),(13,2)]
  • (graficaLevy n) dibuja los puntos (x,y) tales que x pertenece a [7,9..7+2x(n-1)] e y es el número de descomposiciones de Levy de x. Por ejemplo, (graficaLevy 200) dibuja
    La_conjetura_de_Levy-200

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Levy.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
descomposicionesLevy :: Integer -> [(Integer,Integer)]
descomposicionesLevy x =
  [(p,q) | p <- takeWhile (< x) (tail primes)
         , let q = (x - p) `div` 2
         , isPrime q]
 
graficaLevy :: Integer -> IO ()
graficaLevy n =
  plotList [ Key Nothing
           , XRange (7,fromIntegral (7+2*(n-1)))
           , PNG ("La_conjetura_de_Levy-" ++ show n ++ ".png")
           ]
           [(x, length (descomposicionesLevy x)) | x <- [7,9..7+2*(n-1)]] 
 
-- La propiedad es
prop_Levy :: Integer -> Bool
prop_Levy x =
  not (null (descomposicionesLevy (7 + 2 * abs x)))
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_Levy
--    +++ 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

“Dios creó el número natural, y todo el resto es obra del hombre.”

Leopold Kronecker

El sesgo de Chebyshev

Un número primo distinto de 2 tiene la forma 4k + 1 o 4k + 3. Chebyshev notó en 1853 que la mayoría de las veces hay más números primos de la forma 4k + 3 que números primos de la forma 4k + 1 menores que un número dado. Esto se llama el sesgo de Chebyshev.

Definir las funciones

   distribucionPrimosModulo4 :: [(Integer, Integer, Integer)]
   empatesRestosModulo4 :: [Integer]
   mayoria1RestosModulo4 :: [Integer]
   grafica_Chebyshev :: Int -> IO ()

tales que

  • distribucionPrimosModulo4 es la lista de las ternas (p,a,b) tales que p es un números primo, a es la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 1 módulo 4 y b es la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 3 módulo 4. Por ejemplo,
     λ> take 7 distribucionPrimosModulo4
     [(2,0,0),(3,0,1),(5,1,1),(7,1,2),(11,1,3),(13,2,3),(17,3,3)]
     λ> distribucionPrimosModulo4 !! (5*10^5)
     (7368791,249888,250112)
  • empatesRestosModulo4 es la lista de los primos p tales que la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 1 módulo 4 es igual a la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 3 módulo 4. Por ejemplo,
     λ> take 10 empatesRestosModulo4
     [2,5,17,41,461,26833,26849,26863,26881,26893]
     λ> length (takeWhile (< = 10^6) empatesRestosModulo4)
     112
  • mayoria1RestosModulo4 es la lista de los primos p tales que la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 1 módulo 4 es mayor que la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 3 módulo 4. Por ejemplo,
     λ> take 10 mayoria1RestosModulo4
     [26861,616841,616849,616877,616897,616909,616933,616943,616951,616961]
     λ> length (takeWhile (< = 10^6) mayoria1RestosModulo4)
     239
  • (graficaChebyshev n) dibuja la gráfica de los puntos (p,b-a) donde p es uno de los n primeros primos impares, a es la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 1 módulo 4 y b es la cantidad de primos menores o iguales que p congruentes con 3 módulo 4. Por ejemplo, (graficaChebyshev 5000) dibuja la figura

Soluciones