length

Las conjeturas de Catalan y de Pillai

PorJosé A. Alonso 15-enero-202022-enero-2020

La conjetura de Catalan, enunciada en 1844 por Eugène Charles Catalan y demostrada 2002 por Preda Mihăilescu1, afirma que

Las únicas dos potencias de números enteros consecutivos son 8 y 9 (que son respectivamente 2³ y 3²).

En otras palabras, la única solución entera de la ecuación

   x^a - y^b = 1

1	x^a - y^b = 1

para x, a, y, b > 1 es x = 3, a = 2, y = 2, b = 3.

La conjetura de Pillai, propuesta por S.S. Pillai en 1942, generaliza este resultado y es un problema abierto. Afirma que cada entero se puede escribir sólo un número finito de veces como una diferencia de dos potencias perfectas. En otras palabras, para todo entero positivo n, el conjunto de soluciones de

   x^a - y^b = n

1	x^a - y^b = n

para x, a, y, b > 1 es finito.

Por ejemplo, para n = 4, hay 3 soluciones

   (2,3, 2,2) ya que 2³ -  2² =   8 -   4 = 4
   (6,2, 2,5) ya que 6² -  2⁵ =  36 -  32 = 4
   (5,3,11,2) ya que 5³ - 11² = 125 - 121 = 4

(2,3, 2,2) ya que 2³ - 2² = 8 - 4 = 4

(6,2, 2,5) ya que 6² - 2⁵ = 36 - 32 = 4

(5,3,11,2) ya que 5³ - 11² = 125 - 121 = 4

Las soluciones se pueden representar por la menor potencia (en el caso anterior, por 4, 32 y 121) ya que dado n (en el caso anterior es 4), la potencia mayor es la menor más n.

Definir las funciones

   potenciasPerfectas :: [Integer]
   solucionesPillati :: Integer -> [Integer]
   solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]

potenciasPerfectas :: [Integer]

solucionesPillati :: Integer -> [Integer]

solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]

tales que

potenciasPerfectas es la lista de las potencias perfectas (es decir, de los números de la forma x^a con x y a mayores que 1). Por ejemplo,

     take 10 potenciasPerfectas  ==  [4,8,9,16,25,27,32,36,49,64]
     potenciasPerfectas !! 200   ==  28224

1 2	take 10 potenciasPerfectas == [4,8,9,16,25,27,32,36,49,64] potenciasPerfectas !! 200 == 28224

(solucionesPillati n) es la lista de las menores potencias de las soluciones de la ecuación de Pillati x^a – y^b = n; es decir, es la lista de los u tales que u y u+n son potencias perfectas. Por ejemplo,

     take 3 (solucionesPillati 4)  ==  [4,32,121]
     take 2 (solucionesPillati 5)  ==  [4,27]
     take 4 (solucionesPillati 7)  ==  [9,25,121,32761]

take 3 (solucionesPillati 4) == [4,32,121]

take 2 (solucionesPillati 5) == [4,27]

take 4 (solucionesPillati 7) == [9,25,121,32761]

(solucionesPillatiAcotadas c n) es la lista de elementos de (solucionesPillati n) menores que n. Por ejemplo,

     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 1  ==  [8]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 2  ==  [25]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 3  ==  [125]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 4  ==  [4,32,121]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 5  ==  [4,27]
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 6  ==  []
     solucionesPillatiAcotadas (10^3) 7  ==  [9,25,121]
     solucionesPillatiAcotadas (10^5) 7  ==  [9,25,121,32761]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 1 == [8]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 2 == [25]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 3 == [125]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 4 == [4,32,121]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 5 == [4,27]

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 6 == []

solucionesPillatiAcotadas (10^3) 7 == [9,25,121]

solucionesPillatiAcotadas (10^5) 7 == [9,25,121,32761]

Soluciones

import Data.List (group)
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- Definiciones de potenciasPerfectas
-- ==================================

-- 1ª definición
-- -------------

potenciasPerfectas1 :: [Integer]
potenciasPerfectas1 = filter esPotenciaPerfecta [4..]

-- (esPotenciaPerfecta x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por
-- ejemplo, 
--    esPotenciaPerfecta 36  ==  True
--    esPotenciaPerfecta 72  ==  False
esPotenciaPerfecta :: Integer -> Bool
esPotenciaPerfecta = not . null. potenciasPerfectasDe 

-- (potenciasPerfectasDe x) es la lista de pares (a,b) tales que 
-- x = a^b. Por ejemplo,
--    potenciasPerfectasDe 64  ==  [(2,6),(4,3),(8,2)]
--    potenciasPerfectasDe 72  ==  []
potenciasPerfectasDe :: Integer -> [(Integer,Integer)]
potenciasPerfectasDe n = 
    [(m,k) | m <- takeWhile (\x -> x*x <= n) [2..]
           , k <- takeWhile (\x -> m^x <= n) [2..]
           , m^k == n]

-- 2ª definición
-- -------------

potenciasPerfectas2 :: [Integer]
potenciasPerfectas2 = [x | x <- [4..], esPotenciaPerfecta2 x]

-- (esPotenciaPerfecta2 x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por
-- ejemplo, 
--    esPotenciaPerfecta2 36  ==  True
--    esPotenciaPerfecta2 72  ==  False
esPotenciaPerfecta2 :: Integer -> Bool
esPotenciaPerfecta2 x = mcd (exponentes x) > 1

-- (exponentes x) es la lista de los exponentes de l factorización prima
-- de x. Por ejemplos,
--    exponentes 36  ==  [2,2]
--    exponentes 72  ==  [3,2]
exponentes :: Integer -> [Int]
exponentes x = [length ys | ys <- group (primeFactors x)] 

-- (mcd xs) es el máximo común divisor de la lista xs. Por ejemplo,
--    mcd [4,6,10]  ==  2
--    mcd [4,5,10]  ==  1
mcd :: [Int] -> Int
mcd = foldl1 gcd

-- 3ª definición
-- -------------

potenciasPerfectas3 :: [Integer]
potenciasPerfectas3 = mezclaTodas potencias

-- potencias es la lista las listas de potencias de todos los números
-- mayores que 1 con exponentes mayores que 1. Por ejemplo,
--    λ> map (take 3) (take 4 potencias)
--    [[4,8,16],[9,27,81],[16,64,256],[25,125,625]]
potencias :: [[Integer]]
potencias = [[n^k | k <- [2..]] | n <- [2..]]

-- (mezclaTodas xss) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las
-- listas ordenadas xss. Por ejemplo,
--    take 7 (mezclaTodas potencias)  ==  [4,8,9,16,25,27,32]
mezclaTodas :: Ord a => [[a]] -> [a]
mezclaTodas = foldr1 xmezcla
  where xmezcla (x:xs) ys = x : mezcla xs ys

-- (mezcla xs ys) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las
-- listas ordenadas xs e ys. Por ejemplo,
--    take 7 (mezcla [2,5..] [4,6..])  ==  [2,4,5,6,8,10,11]
mezcla :: Ord a => [a] -> [a] -> [a]
mezcla (x:xs) (y:ys) | x < y  = x : mezcla xs (y:ys)
                     | x == y = x : mezcla xs ys
                     | x > y  = y : mezcla (x:xs) ys

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

--    λ> potenciasPerfectas1 !! 200
--    28224
--    (7.24 secs, 9,245,991,160 bytes)
--    λ> potenciasPerfectas2 !! 200
--    28224
--    (0.30 secs, 814,597,152 bytes)
--    λ> potenciasPerfectas3 !! 200
--    28224
--    (0.01 secs, 7,061,120 bytes)

-- En lo que sigue se usa la 3ª definición
potenciasPerfectas :: [Integer]
potenciasPerfectas = potenciasPerfectas3

-- Definición de solucionesPillati
-- ===============================

solucionesPillati :: Integer -> [Integer]
solucionesPillati n =
  [x | x <- potenciasPerfectas
     , esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

-- Definición de solucionesPillatiAcotadas
-- =======================================

solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]
solucionesPillatiAcotadas c n =
  [x | x <- takeWhile (< (c-n)) potenciasPerfectas
     , esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

100

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import Data.List (group)

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- Definiciones de potenciasPerfectas

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

-- 1ª definición

-- -------------

potenciasPerfectas1 :: [Integer]

potenciasPerfectas1 = filter esPotenciaPerfecta [4..]

-- (esPotenciaPerfecta x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por

-- ejemplo,

-- esPotenciaPerfecta 36 == True

-- esPotenciaPerfecta 72 == False

esPotenciaPerfecta :: Integer -> Bool

esPotenciaPerfecta = not . null. potenciasPerfectasDe

-- (potenciasPerfectasDe x) es la lista de pares (a,b) tales que

-- x = a^b. Por ejemplo,

-- potenciasPerfectasDe 64 == [(2,6),(4,3),(8,2)]

-- potenciasPerfectasDe 72 == []

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

potenciasPerfectasDe n =

[(m,k) | m <- takeWhile (\x -> x*x <= n) [2..]

, k <- takeWhile (\x -> m^x <= n) [2..]

, m^k == n]

-- 2ª definición

-- -------------

potenciasPerfectas2 :: [Integer]

potenciasPerfectas2 = [x | x <- [4..], esPotenciaPerfecta2 x]

-- (esPotenciaPerfecta2 x) se verifica si x es una potencia perfecta. Por

-- ejemplo,

-- esPotenciaPerfecta2 36 == True

-- esPotenciaPerfecta2 72 == False

esPotenciaPerfecta2 :: Integer -> Bool

esPotenciaPerfecta2 x = mcd (exponentes x) > 1

-- (exponentes x) es la lista de los exponentes de l factorización prima

-- de x. Por ejemplos,

-- exponentes 36 == [2,2]

-- exponentes 72 == [3,2]

exponentes :: Integer -> [Int]

exponentes x = [length ys | ys <- group (primeFactors x)]

-- (mcd xs) es el máximo común divisor de la lista xs. Por ejemplo,

-- mcd [4,6,10] == 2

-- mcd [4,5,10] == 1

mcd :: [Int] -> Int

mcd = foldl1 gcd

-- 3ª definición

-- -------------

potenciasPerfectas3 :: [Integer]

potenciasPerfectas3 = mezclaTodas potencias

-- potencias es la lista las listas de potencias de todos los números

-- mayores que 1 con exponentes mayores que 1. Por ejemplo,

-- λ> map (take 3) (take 4 potencias)

-- [[4,8,16],[9,27,81],[16,64,256],[25,125,625]]

potencias :: [[Integer]]

potencias = [[n^k | k <- [2..]] | n <- [2..]]

-- (mezclaTodas xss) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las

-- listas ordenadas xss. Por ejemplo,

-- take 7 (mezclaTodas potencias) == [4,8,9,16,25,27,32]

mezclaTodas :: Ord a => [[a]] -> [a]

mezclaTodas = foldr1 xmezcla

where xmezcla (x:xs) ys = x : mezcla xs ys

-- (mezcla xs ys) es la mezcla ordenada sin repeticiones de las

-- listas ordenadas xs e ys. Por ejemplo,

-- take 7 (mezcla [2,5..] [4,6..]) == [2,4,5,6,8,10,11]

mezcla :: Ord a => [a] -> [a] -> [a]

mezcla (x:xs) (y:ys) | x < y = x : mezcla xs (y:ys)

| x == y = x : mezcla xs ys

| x > y = y : mezcla (x:xs) ys

-- Comparación de eficiencia

-- -------------------------

-- λ> potenciasPerfectas1 !! 200

-- 28224

-- (7.24 secs, 9,245,991,160 bytes)

-- λ> potenciasPerfectas2 !! 200

-- 28224

-- (0.30 secs, 814,597,152 bytes)

-- λ> potenciasPerfectas3 !! 200

-- 28224

-- (0.01 secs, 7,061,120 bytes)

-- En lo que sigue se usa la 3ª definición

potenciasPerfectas :: [Integer]

potenciasPerfectas = potenciasPerfectas3

-- Definición de solucionesPillati

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

solucionesPillati :: Integer -> [Integer]

solucionesPillati n =

[x | x <- potenciasPerfectas

, esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

-- Definición de solucionesPillatiAcotadas

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

solucionesPillatiAcotadas :: Integer -> Integer -> [Integer]

solucionesPillatiAcotadas c n =

[x | x <- takeWhile (< (c-n)) potenciasPerfectas

, esPotenciaPerfecta2 (x+n)]

Referencia

Catalan’s conjecture en Wikipedia.

Pensamiento

Y te enviaré mi canción:
«Se canta lo que se pierde»,
con un papagayo verde
que la diga en tu balcón.

Antonio Machado

Teorema de existencia de divisores

PorJosé A. Alonso 10-enero-20206-junio-2022

El teorema de existencia de divisores afirma que

En cualquier subconjunto de {1, 2, …, 2m} con al menos m+1 elementos existen números distintos a, b tales que a divide a b.

Un conjunto de números naturales xs es mayoritario si existe un m tal que la lista de xs es un subconjunto de {1,2,…,2m} con al menos m+1 elementos. Por ejemplo, {2,3,5,6} porque es un subconjunto de {1,2,…,6} con más de 3 elementos.

Definir las funciones

   divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)]
   esMayoritario :: [Integer] -> Bool

1 2	divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)] esMayoritario :: [Integer] -> Bool

tales que

(divisores xs) es la lista de pares de elementos distintos de (a,b) tales que a divide a b. Por ejemplo,

     divisoresMultiplos [2,3,5,6]  ==  [(2,6),(3,6)]
     divisoresMultiplos [2,3,5]    ==  []
     divisoresMultiplos [4..8]     ==  [(4,8)]

divisoresMultiplos [2,3,5,6] == [(2,6),(3,6)]

divisoresMultiplos [2,3,5] == []

divisoresMultiplos [4..8] == [(4,8)]

(esMayoritario xs) se verifica xs es mayoritario. Por ejemplo,

     esMayoritario [2,3,5,6]  ==  True
     esMayoritario [2,3,5]    ==  False

1 2	esMayoritario [2,3,5,6] == True esMayoritario [2,3,5] == False

Comprobar con QuickCheck el teorema de existencia de divisores; es decir, en cualquier conjunto mayoritario existen números distintos a, b tales que a divide a b. Para la comprobación se puede usar el siguiente generador de conjuntos mayoritarios

   mayoritario :: Gen [Integer]
   mayoritario = do
     m' <- arbitrary
     let m = 1 + abs m'
     xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)
     return xs'

mayoritario :: Gen [Integer]

mayoritario = do

m' <- arbitrary

let m = 1 + abs m'

xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)

return xs'

con lo que la propiedad que hay que comprobar con QuickCheck es

   teorema_de_existencia_de_divisores :: Property
   teorema_de_existencia_de_divisores =
     forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

teorema_de_existencia_de_divisores :: Property

teorema_de_existencia_de_divisores =

forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Test.QuickCheck

divisoresMultiplos :: [Integer] -> [(Integer,Integer)]
divisoresMultiplos xs =
  [(x,y) | x <- xs
         , y <- xs
         , y /= x
         , y `mod` x == 0]

esMayoritario :: [Integer] -> Bool
esMayoritario xs =
  not (null xs) && length xs > ceiling (n / 2) 
  where n = fromIntegral (maximum xs)

-- Comprobación del teorema
-- ========================

-- La propiedad es
teorema_de_existencia_de_divisores :: Property
teorema_de_existencia_de_divisores =
  forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

-- mayoritario es un generador de conjuntos mayoritarios. Por ejemplo, 
--    λ> sample mayoritario
--    [1,2]
--    [2,5,7,8]
--    [1,2,8,10,14]
--    [3,8,11,12,13,15,18,19,22,23,25,26]
--    [1,3,4,6]
--    [3,6,9,11,12,14,17,19]
mayoritario :: Gen [Integer]
mayoritario = do
  m' <- arbitrary
  let m = 1 + abs m'
  xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)
  return xs'

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

import Data.List (genericLength)

import Test.QuickCheck

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

divisoresMultiplos xs =

[(x,y) | x <- xs

, y <- xs

, y /= x

, y `mod` x == 0]

esMayoritario :: [Integer] -> Bool

esMayoritario xs =

not (null xs) && length xs > ceiling (n / 2)

where n = fromIntegral (maximum xs)

-- Comprobación del teorema

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

-- La propiedad es

teorema_de_existencia_de_divisores :: Property

teorema_de_existencia_de_divisores =

forAll mayoritario (not . null . divisoresMultiplos)

-- mayoritario es un generador de conjuntos mayoritarios. Por ejemplo,

-- λ> sample mayoritario

-- [1,2]

-- [2,5,7,8]

-- [1,2,8,10,14]

-- [3,8,11,12,13,15,18,19,22,23,25,26]

-- [1,3,4,6]

-- [3,6,9,11,12,14,17,19]

mayoritario :: Gen [Integer]

mayoritario = do

m' <- arbitrary

let m = 1 + abs m'

xs' <- sublistOf [1..2*m] `suchThat` (\ys -> genericLength ys > m)

return xs'

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck teorema_de_existencia_de_divisores

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Guiomar, Guiomar,
mírame en ti castigado:
reo de haberte creado,
ya no te puedo olvidar.

Antonio Machado

Factorizaciones de 4n+1

PorJosé A. Alonso 6-enero-202013-enero-2020

Sea S el conjunto

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

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

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

   S = {4n+1 | n ∈ N}

1	S = {4n+1 \| n ∈ N}

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

Definir las funciones

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

esIrreducible :: Integer -> Bool

factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]

conFactorizacionNoUnica :: [Integer]

tales que

(esIrreducible n) se verifica si n es irreducible. Por ejemplo,

     esIrreducible 9   ==  True
     esIrreducible 45  ==  False

1 2	esIrreducible 9 == True esIrreducible 45 == False

(factorizaciones n) es la lista de conjuntos de elementos irreducibles de S cuyo producto es n. Por ejemplo,

     factorizaciones 9     ==  [[9]]
     factorizaciones 693   ==  [[9,77],[21,33]]
     factorizaciones 4389  ==  [[21,209],[33,133],[57,77]]
     factorizaciones 2205  ==  [[5,9,49],[5,21,21]]

factorizaciones 9 == [[9]]

factorizaciones 693 == [[9,77],[21,33]]

factorizaciones 4389 == [[21,209],[33,133],[57,77]]

factorizaciones 2205 == [[5,9,49],[5,21,21]]

conFactorizacionNoUnica es la lista de elementos de S cuya factorización no es única. Por ejemplo,

     λ> take 10 conFactorizacionNoUnica
     [441,693,1089,1197,1449,1617,1881,1953,2205,2277]

1 2	λ> take 10 conFactorizacionNoUnica [441,693,1089,1197,1449,1617,1881,1953,2205,2277]

Soluciones

esIrreducible :: Integer -> Bool
esIrreducible n = divisores n == [1,n]

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

conFactorizacionNoUnica :: [Integer]
conFactorizacionNoUnica =
  [n | n <- [1,5..], length (factorizaciones n) > 1]

esIrreducible :: Integer -> Bool

esIrreducible n = divisores n == [1,n]

-- (divisores n) es el conjunto de elementos de S que dividen a n. Por

-- ejemplo,

-- divisores 9 == [9]

-- divisores 693 == [9,21,33,77,693]

divisores :: Integer -> [Integer]

divisores n = [x | x <- [1,5..n], n `mod` x == 0]

factorizaciones :: Integer -> [[Integer]]

factorizaciones 1 = [[1]]

factorizaciones n

| esIrreducible n = [[n]]

| otherwise = [d:ds | d <- divisores n

, esIrreducible d

, ds@(e:_) <- factorizaciones (n `div` d)

, d <= e]

conFactorizacionNoUnica :: [Integer]

conFactorizacionNoUnica =

[n | n <- [1,5..], length (factorizaciones n) > 1]

Pensamiento

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

Antonio Machado

Conjuntos con más sumas que restas

PorJosé A. Alonso 26-diciembre-20192-enero-2020

Dado un conjunto de números naturales, por ejemplo A = {0, 2, 3, 4}, calculamos las sumas de todos los pares de elementos de A. Como A tiene 4 elementos hay 16 pares, pero no todas sus sumas son distintas. En este caso solo hay 8 sumas distintas: {0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}. Procediendo análogamente hay 9 diferencias distinatas entre los pares de A: {-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4}.

Experimentando con más conjuntos, se puede conjeturar que el número de restas es mayor que el de sumas y argumentar que que mientras que con dos números distintos sólo se produce una suma distints sin embargo se producen dos restas distintas. Por ejemplo, con 5 y 7 sólo se produce una suma (ya que 5+7 y 7+5 ambos dan 12) pero dos restas (ya que 5-7 y 7-5 dan -2 y 2, respectivamente).

Sin embargo, la conjetura es falsa. Un contraejemplo en el conjunto {0, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 14}, que tiene 26 sumas distintas con sus pares de elementos pero sólo 25 restas.

Los conjuntos con más sumas distintas con sus pares de elementos que restas se llaman conjuntos MSQR (por «más sumas que restas»).

El objetivo de este ejercicio es calcular los conjuntos MSQR.

Definir las funciones

   tieneMSQR :: [Integer] -> Bool
   conjuntosMSQR :: [[Integer]]

1 2	tieneMSQR :: [Integer] -> Bool conjuntosMSQR :: [[Integer]]

tales que

(tieneMSQR xs) se verifica si el conjunto xs tiene más sumas que restas. Por ejemplo,

     tieneMSQR [0, 2, 3, 4]                 ==  False
     tieneMSQR [0, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 14]  ==  True

1 2	tieneMSQR [0, 2, 3, 4] == False tieneMSQR [0, 2, 3, 4, 7, 11, 12, 14] == True

conjuntosMSQR es la lista de los conjuntos MSQR. Por ejemplo,

     λ> take 5 conjuntosMSQR
     [[14,12,11,7,4,3,2,0],
      [14,12,11,10,7,3,2,0],
      [14,13,12,9,5,4,2,1,0],
      [14,13,12,10,9,5,2,1,0],
      [15,13,12,8,5,4,3,1]]
   
      length (takeWhile (< [14]) conjuntosMSQR)   ==  0
      length (takeWhile (< [15]) conjuntosMSQR)   ==  4
      length (takeWhile (< [16]) conjuntosMSQR)   ==  10
      length (takeWhile (< [17]) conjuntosMSQR)   ==  30

λ> take 5 conjuntosMSQR

[[14,12,11,7,4,3,2,0],

[14,12,11,10,7,3,2,0],

[14,13,12,9,5,4,2,1,0],

[14,13,12,10,9,5,2,1,0],

[15,13,12,8,5,4,3,1]]

length (takeWhile (< [14]) conjuntosMSQR) == 0

length (takeWhile (< [15]) conjuntosMSQR) == 4

length (takeWhile (< [16]) conjuntosMSQR) == 10

length (takeWhile (< [17]) conjuntosMSQR) == 30

Soluciones

import Data.List (tails, nub, sort)

-- 1ª solución
-- ===========

-- (sumas xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
sumas :: [Integer] -> [Integer]
sumas xs = nub [x + y | x <- xs, y <- xs]

-- (restas xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    restas [0,2,3,4]  ==  [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]
restas :: [Integer] -> [Integer]
restas xs = nub [x - y | x <- xs, y <- xs]

tieneMSQR :: [Integer] -> Bool
tieneMSQR xs = length (sumas xs) > length (restas xs)

conjuntosMSQR :: [[Integer]]
conjuntosMSQR = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR xs]

-- enumeracionCFN es la enumeración de los conjuntos finitos de números
-- naturales del ejercicio anterior.
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
-- ===========

-- (sumas2 xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
sumas2 :: [Integer] -> [Integer]
sumas2 xs = nub [x + y | (x:ys) <- tails xs, y <- (x:ys)]

-- (restas2 xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de
-- xs. Por ejemplo,
--    sumas2 [0,2,3,4]  ==  [0,2,3,4,5,6,7,8]
--    restas2 [0,2,3,4]  ==  [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]
restas2 :: [Integer] -> [Integer]
restas2 xs = 0 : ys ++ map negate ys
  where ys = nub [x - y | (x:ys) <- tails (sort xs), y <- ys]

tieneMSQR2 :: [Integer] -> Bool
tieneMSQR2 xs = length (sumas2 xs) > length (restas2 xs)

conjuntosMSQR2 :: [[Integer]]
conjuntosMSQR2 = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR2 xs]

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

--    λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR)
--    66
--    (21.36 secs, 10,301,222,168 bytes)
--    λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR2)
--    66
--    (10.13 secs, 7,088,969,752 bytes)

import Data.List (tails, nub, sort)

-- 1ª solución

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

-- (sumas xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- sumas2 [0,2,3,4] == [0,2,3,4,5,6,7,8]

sumas :: [Integer] -> [Integer]

sumas xs = nub [x + y | x <- xs, y <- xs]

-- (restas xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- restas [0,2,3,4] == [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]

restas :: [Integer] -> [Integer]

restas xs = nub [x - y | x <- xs, y <- xs]

tieneMSQR :: [Integer] -> Bool

tieneMSQR xs = length (sumas xs) > length (restas xs)

conjuntosMSQR :: [[Integer]]

conjuntosMSQR = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR xs]

-- enumeracionCFN es la enumeración de los conjuntos finitos de números

-- naturales del ejercicio anterior.

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

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

-- (sumas2 xs) es el conjunto de las sumas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- sumas2 [0,2,3,4] == [0,2,3,4,5,6,7,8]

sumas2 :: [Integer] -> [Integer]

sumas2 xs = nub [x + y | (x:ys) <- tails xs, y <- (x:ys)]

-- (restas2 xs) es el conjunto de las restas de pares de elementos de

-- xs. Por ejemplo,

-- sumas2 [0,2,3,4] == [0,2,3,4,5,6,7,8]

-- restas2 [0,2,3,4] == [0,-2,-3,-4,2,-1,3,1,4]

restas2 :: [Integer] -> [Integer]

restas2 xs = 0 : ys ++ map negate ys

where ys = nub [x - y | (x:ys) <- tails (sort xs), y <- ys]

tieneMSQR2 :: [Integer] -> Bool

tieneMSQR2 xs = length (sumas2 xs) > length (restas2 xs)

conjuntosMSQR2 :: [[Integer]]

conjuntosMSQR2 = [xs | xs <- enumeracionCFN, tieneMSQR2 xs]

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR)

-- 66

-- (21.36 secs, 10,301,222,168 bytes)

-- λ> length (takeWhile (< [17,16..0]) conjuntosMSQR2)

-- 66

-- (10.13 secs, 7,088,969,752 bytes)

Pensamiento

¡Qué fácil es volar, qué fácil es!
Todo consiste en no dejar que el suelo
se acerque a nuestros pies.

Antonio Machado

El teorema de Navidad de Fermat

PorJosé A. Alonso 20-diciembre-201927-diciembre-2019

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

Definir las funciones

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

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

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]

primos4nM1 :: [Integer]

tales que

(representaciones n) es la lista de pares de números naturales (x,y) tales que n = x^2 + y^2 con x <= y. Por ejemplo,

     representaciones  20           ==  [(2,4)]
     representaciones  25           ==  [(0,5),(3,4)]
     representaciones 325           ==  [(1,18),(6,17),(10,15)]
     representaciones 100000147984  ==  [(0,316228)]
     length (representaciones (10^10))    ==  6
     length (representaciones (4*10^12))  ==  7

representaciones 20 == [(2,4)]

representaciones 25 == [(0,5),(3,4)]

representaciones 325 == [(1,18),(6,17),(10,15)]

representaciones 100000147984 == [(0,316228)]

length (representaciones (10^10)) == 6

length (representaciones (4*10^12)) == 7

primosImparesConRepresentacionUnica es la lista de los números primos impares que se pueden escribir exactamente de una manera como suma de cuadrados de pares de números naturales (x,y) con x <= y. Por ejemplo,

     λ> take 20 primosImparesConRepresentacionUnica
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

1 2	λ> take 20 primosImparesConRepresentacionUnica [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

primos4nM1 es la lista de los números primos que se pueden escribir como uno más un múltiplo de 4 (es decir, que son congruentes con 1 módulo 4). Por ejemplo,

     λ> take 20 primos4nM1
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

1 2	λ> take 20 primos4nM1 [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

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

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

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones n =
  [(x,y) | x <- [0..n], y <- [x..n], n == x*x + y*y]

-- 2ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones2 n =
  [(x,raiz z) | x <- [0..raiz (n `div` 2)] 
              , let z = n - x*x
              , esCuadrado z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = x == y * y
  where y = raiz x

-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz 25  ==  5
--    raiz 24  ==  4
--    raiz 26  ==  5
raiz :: Integer -> Integer 
raiz 0 = 0
raiz 1 = 1
raiz x = aux (0,x)
    where aux (a,b) | d == x    = c
                    | c == a    = a
                    | d < x     = aux (c,b)
                    | otherwise = aux (a,c) 
              where c = (a+b) `div` 2
                    d = c^2

-- 3ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones3 n =
  [(x,raiz3 z) | x <- [0..raiz3 (n `div` 2)] 
               , let z = n - x*x
               , esCuadrado3 z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado3 25  ==  True
--    esCuadrado3 26  ==  False
esCuadrado3 :: Integer -> Bool
esCuadrado3 x = x == y * y
  where y = raiz3 x

-- (raiz3 x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz3 25  ==  5
--    raiz3 24  ==  4
--    raiz3 26  ==  5
raiz3 :: Integer -> Integer
raiz3 x = floor (sqrt (fromIntegral x))
          
-- 4ª definición de representaciones
-- =================================
 
representaciones4 :: Integer -> [(Integer, Integer)]
representaciones4 n = aux 0 (floor (sqrt (fromIntegral n)))
  where aux x y
          | x > y     = [] 
          | otherwise = case compare (x*x + y*y) n of
                          LT -> aux (x + 1) y
                          EQ -> (x, y) : aux (x + 1) (y - 1)
                          GT -> aux x (y - 1)

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

-- La propiedad es
prop_representaciones_equiv :: (Positive Integer) -> Bool
prop_representaciones_equiv (Positive n) =
  representaciones  n == representaciones2 n &&
  representaciones2 n == representaciones3 n &&
  representaciones3 n == representaciones4 n

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

-- Comparación de eficiencia de las definiciones de representaciones
-- =================================================================

--    λ> representaciones 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (2.86 secs, 1,393,133,528 bytes)
--    λ> representaciones2 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 867,944 bytes)
--    λ> representaciones3 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 173,512 bytes)
--    λ> representaciones4 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 423,424 bytes)
--    
--    λ> length (representaciones2 (10^10))
--    6
--    (3.38 secs, 2,188,903,544 bytes)
--    λ> length (representaciones3 (10^10))
--    6
--    (0.10 secs, 62,349,048 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (10^10))
--    6
--    (0.11 secs, 48,052,360 bytes)
--
--    λ> length (representaciones3 (4*10^12))
--    7
--    (1.85 secs, 1,222,007,176 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (4*10^12))
--    7
--    (1.79 secs, 953,497,480 bytes)

-- Definición de primosImparesConRepresentacionUnica
-- =================================================

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]
primosImparesConRepresentacionUnica =
  [x | x <- tail primes
     , length (representaciones4 x) == 1]

-- Definición de primos4nM1
-- ========================

primos4nM1 :: [Integer]
primos4nM1 = [x | x <- primes
                , x `mod` 4 == 1]

-- Teorema de Navidad de Fermat
-- ============================

-- La propiedad es
prop_teoremaDeNavidadDeFermat :: Positive Int -> Bool
prop_teoremaDeNavidadDeFermat (Positive n) =
  primosImparesConRepresentacionUnica !! n == primos4nM1 !! n
             
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_teoremaDeNavidadDeFermat
--    +++ OK, passed 100 tests.

100

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145

146

147

148

149

150

151

import Data.Numbers.Primes (primes)

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de representaciones

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

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

representaciones n =

[(x,y) | x <- [0..n], y <- [x..n], n == x*x + y*y]

-- 2ª definición de representaciones

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

representaciones2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones2 n =

[(x,raiz z) | x <- [0..raiz (n `div` 2)]

, let z = n - x*x

, esCuadrado z]

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

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Integer -> Bool

esCuadrado x = x == y * y

where y = raiz x

-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,

-- raiz 25 == 5

-- raiz 24 == 4

-- raiz 26 == 5

raiz :: Integer -> Integer

raiz 0 = 0

raiz 1 = 1

raiz x = aux (0,x)

where aux (a,b) | d == x = c

| c == a = a

| d < x = aux (c,b)

| otherwise = aux (a,c)

where c = (a+b) `div` 2

d = c^2

-- 3ª definición de representaciones

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

representaciones3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones3 n =

[(x,raiz3 z) | x <- [0..raiz3 (n `div` 2)]

, let z = n - x*x

, esCuadrado3 z]

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

-- ejemplo,

-- esCuadrado3 25 == True

-- esCuadrado3 26 == False

esCuadrado3 :: Integer -> Bool

esCuadrado3 x = x == y * y

where y = raiz3 x

-- (raiz3 x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,

-- raiz3 25 == 5

-- raiz3 24 == 4

-- raiz3 26 == 5

raiz3 :: Integer -> Integer

raiz3 x = floor (sqrt (fromIntegral x))

-- 4ª definición de representaciones

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

representaciones4 :: Integer -> [(Integer, Integer)]

representaciones4 n = aux 0 (floor (sqrt (fromIntegral n)))

where aux x y

| x > y = []

| otherwise = case compare (x*x + y*y) n of

LT -> aux (x + 1) y

EQ -> (x, y) : aux (x + 1) (y - 1)

GT -> aux x (y - 1)

-- Equivalencia de las definiciones de representaciones

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

-- La propiedad es

prop_representaciones_equiv :: (Positive Integer) -> Bool

prop_representaciones_equiv (Positive n) =

representaciones n == representaciones2 n &&

representaciones2 n == representaciones3 n &&

representaciones3 n == representaciones4 n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_representaciones_equiv

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia de las definiciones de representaciones

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

-- λ> representaciones 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (2.86 secs, 1,393,133,528 bytes)

-- λ> representaciones2 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 867,944 bytes)

-- λ> representaciones3 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 173,512 bytes)

-- λ> representaciones4 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 423,424 bytes)

-- λ> length (representaciones2 (10^10))

-- 6

-- (3.38 secs, 2,188,903,544 bytes)

-- λ> length (representaciones3 (10^10))

-- 6

-- (0.10 secs, 62,349,048 bytes)

-- λ> length (representaciones4 (10^10))

-- 6

-- (0.11 secs, 48,052,360 bytes)

-- λ> length (representaciones3 (4*10^12))

-- 7

-- (1.85 secs, 1,222,007,176 bytes)

-- λ> length (representaciones4 (4*10^12))

-- 7

-- (1.79 secs, 953,497,480 bytes)

-- Definición de primosImparesConRepresentacionUnica

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

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]

primosImparesConRepresentacionUnica =

[x | x <- tail primes

, length (representaciones4 x) == 1]

-- Definición de primos4nM1

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

primos4nM1 :: [Integer]

primos4nM1 = [x | x <- primes

, x `mod` 4 == 1]

-- Teorema de Navidad de Fermat

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

-- La propiedad es

prop_teoremaDeNavidadDeFermat :: Positive Int -> Bool

prop_teoremaDeNavidadDeFermat (Positive n) =

primosImparesConRepresentacionUnica !! n == primos4nM1 !! n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_teoremaDeNavidadDeFermat

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

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

Antonio Machado

Teorema de existencia de divisores

Soluciones

Pensamiento

Factorizaciones de 4n+1

Soluciones

Pensamiento

Conjuntos con más sumas que restas

Soluciones

Pensamiento

El teorema de Navidad de Fermat

Soluciones

Pensamiento

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