Listas infinitas

Polinomios de Fibonacci

PorJosé A. Alonso 21-mayo-201828-mayo-2018

La sucesión de polinomios de Fibonacci se define por

   p(0) = 0
   p(1) = 1
   p(n) = x*p(n-1) + p(n-2)

p(0) = 0

p(1) = 1

p(n) = x*p(n-1) + p(n-2)

Los primeros términos de la sucesión son

   p(2) = x
   p(3) = x^2 + 1
   p(4) = x^3 + 2*x
   p(5) = x^4 + 3*x^2 + 1

p(2) = x

p(3) = x^2 + 1

p(4) = x^3 + 2*x

p(5) = x^4 + 3*x^2 + 1

Definir la lista

   sucPolFib :: [Polinomio Integer]

1	sucPolFib :: [Polinomio Integer]

tal que sus elementos son los polinomios de Fibonacci. Por ejemplo,

   λ> take 7 sucPolFib
   [0,1,1*x,x^2 + 1,x^3 + 2*x,x^4 + 3*x^2 + 1,x^5 + 4*x^3 + 3*x]
   λ> sum (map grado (take 3000 sucPolFib2))
   4495501

λ> take 7 sucPolFib

[0,1,1*x,x^2 + 1,x^3 + 2*x,x^4 + 3*x^2 + 1,x^5 + 4*x^3 + 3*x]

λ> sum (map grado (take 3000 sucPolFib2))

4495501

Comprobar con QuickCheck que el valor del n-ésimo término de sucPolFib para x=1 es el n-ésimo término de la sucesión de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, …

Nota. Limitar la búsqueda a ejemplos pequeños usando

   quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib

1	quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib

Soluciones

import Data.List (genericIndex)
import I1M.PolOperaciones
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

sucPolFib :: [Polinomio Integer]
sucPolFib = [polFibR n | n <- [0..]]

polFibR :: Integer -> Polinomio Integer
polFibR 0 = polCero
polFibR 1 = polUnidad
polFibR n = 
  sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) (polFibR (n-1)))
          (polFibR (n-2))

-- 2ª definición (dinámica)
-- ========================

sucPolFib2 :: [Polinomio Integer]
sucPolFib2 = 
  polCero : polUnidad : zipWith f (tail sucPolFib2) sucPolFib2
  where f p = sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) p)

-- La propiedad es
prop_polFib :: Integer -> Property
prop_polFib n = 
    n >= 0 ==> valor (polFib n) 1 == fib n
    where polFib n = sucPolFib2 `genericIndex` n
          fib n    = fibs `genericIndex` n

fibs :: [Integer]
fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)

-- La comprobación es
--    ghci> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (genericIndex)

import I1M.PolOperaciones

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

sucPolFib :: [Polinomio Integer]

sucPolFib = [polFibR n | n <- [0..]]

polFibR :: Integer -> Polinomio Integer

polFibR 0 = polCero

polFibR 1 = polUnidad

polFibR n =

sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) (polFibR (n-1)))

(polFibR (n-2))

-- 2ª definición (dinámica)

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

sucPolFib2 :: [Polinomio Integer]

sucPolFib2 =

polCero : polUnidad : zipWith f (tail sucPolFib2) sucPolFib2

where f p = sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) p)

-- La propiedad es

prop_polFib :: Integer -> Property

prop_polFib n =

n >= 0 ==> valor (polFib n) 1 == fib n

where polFib n = sucPolFib2 `genericIndex` n

fib n = fibs `genericIndex` n

fibs :: [Integer]

fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)

-- La comprobación es

-- ghci> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib

-- +++ OK, passed 100 tests.

Las sucesiones de Loomis

PorJosé A. Alonso 30-abril-201825-abril-2021

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 ()

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

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

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

y graficaConvergencia ([1..148] \ [63,81,89,137]) dibuja

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]

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

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129

130

131

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136

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138

139

140

141

142

143

144

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]

Operaciones con series de potencias

PorJosé A. Alonso 27-abril-201825-marzo-2022

Una serie de potencias es una serie de la forma

   a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + ...

1	a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + ...

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

   e^x = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ...

1	e^x = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ...

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

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

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

   type Serie a = [a]

1	type Serie a = [a]

Definir las siguientes funciones

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

opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a

suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a

derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a

integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a

expx :: Serie Rational

tales que

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

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

1 2	λ> take 7 (opuesta [-6,-4..]) [6,4,2,0,-2,-4,-6]

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

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

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

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

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

λ> take 7 (resta [3,5..] [2,4..])

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

λ> take 7 (resta ([3,7,11,15,19,23,27] ++ repeat 0) [1,3..])

[2,4,6,8,10,12,14]

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

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

1 2	λ> take 7 (producto [3,5..] [2,4..]) [6,22,52,100,170,266,392]

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

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

1 2	λ> take 7 (cociente ([6,22,52,100,170,266,392] ++ repeat 0) [3,5..]) [2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

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

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

1 2	λ> take 7 (derivada [2,4..]) [4,12,24,40,60,84,112]

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

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

1 2	λ> take 7 (integral ([4,12,24,40,60,84,112] ++ repeat 0)) [0.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]

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

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

λ> take 8 expx

[1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

λ> take 8 (derivada expx)

[1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

λ> take 8 (integral expx)

[0 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

Soluciones

type Serie a = [a] 

opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a
opuesta = map negate

suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
suma = zipWith (+)

resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
resta xs ys = suma xs (opuesta ys)

producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
producto (x:xs) zs@(y:ys) = 
    x*y : suma (producto xs zs) (map (x*) ys)

cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a
cociente (x:xs) (y:ys) = zs 
    where zs = x/y : map (/y) (resta xs (producto zs ys))  

derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a
derivada (_:xs) = zipWith (*) xs [1..]

integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a
integral xs = 0 : zipWith (/) xs [1..]

expx :: Serie Rational
expx = map (1/) (map fromIntegral factoriales)

-- factoriales es la lista de los factoriales. Por ejemplo, 
--    take 7 factoriales  ==  [1,1,2,6,24,120,720]
factoriales :: [Integer]
factoriales = 1 : scanl1 (*) [1..]

type Serie a = [a]

opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a

opuesta = map negate

suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

suma = zipWith (+)

resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

resta xs ys = suma xs (opuesta ys)

producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a

producto (x:xs) zs@(y:ys) =

x*y : suma (producto xs zs) (map (x*) ys)

cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a

cociente (x:xs) (y:ys) = zs

where zs = x/y : map (/y) (resta xs (producto zs ys))

derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a

derivada (_:xs) = zipWith (*) xs [1..]

integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a

integral xs = 0 : zipWith (/) xs [1..]

expx :: Serie Rational

expx = map (1/) (map fromIntegral factoriales)

-- factoriales es la lista de los factoriales. Por ejemplo,

-- take 7 factoriales == [1,1,2,6,24,120,720]

factoriales :: [Integer]

factoriales = 1 : scanl1 (*) [1..]

Números compuestos por un conjunto de primos

PorJosé A. Alonso 20-abril-201830-abril-2018

Los números compuestos por un conjunto de primos son los números cuyos factores primos pertenecen al conjunto. Por ejemplo, los primeros números compuestos por [2,5,7] son

   1,2,4,5,7,8,10,14,16,20,25,28,32,35,40,49,50,56,64,70,...

1	1,2,4,5,7,8,10,14,16,20,25,28,32,35,40,49,50,56,64,70,...

El 28 es compuesto ya que sus divisores primos son 2 y 7 que están en [2,5,7].

Definir la función

   compuestos :: [Integer] -> [Integer]

1	compuestos :: [Integer] -> [Integer]

tal que (compuesto ps) es la lista de los números compuestos por el conjunto de primos ps. Por ejemplo,

   λ> take 20 (compuestos [2,5,7])
   [1,2,4,5,7,8,10,14,16,20,25,28,32,35,40,49,50,56,64,70]
   λ> take 20 (compuestos [2,5])
   [1,2,4,5,8,10,16,20,25,32,40,50,64,80,100,125,128,160,200,250]
   λ> take 20 (compuestos [2,3,5])
   [1,2,3,4,5,6,8,9,10,12,15,16,18,20,24,25,27,30,32,36]
   λ> take 20 (compuestos [3,5,7,11,13])
   [1,3,5,7,9,11,13,15,21,25,27,33,35,39,45,49,55,63,65,75]
   λ> take 15 (compuestos [2])
   [1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,2048,4096,8192,16384]
   λ> compuestos [2,7] !! (10^4)
   57399514149595471961908157955229677377312712667508119466382354072731648
   λ> compuestos [2,3,5] !! (10^5)
   290237644800000000000000000000000000000

λ> take 20 (compuestos [2,5,7])

[1,2,4,5,7,8,10,14,16,20,25,28,32,35,40,49,50,56,64,70]

λ> take 20 (compuestos [2,5])

[1,2,4,5,8,10,16,20,25,32,40,50,64,80,100,125,128,160,200,250]

λ> take 20 (compuestos [2,3,5])

[1,2,3,4,5,6,8,9,10,12,15,16,18,20,24,25,27,30,32,36]

λ> take 20 (compuestos [3,5,7,11,13])

[1,3,5,7,9,11,13,15,21,25,27,33,35,39,45,49,55,63,65,75]

λ> take 15 (compuestos [2])

[1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,2048,4096,8192,16384]

λ> compuestos [2,7] !! (10^4)

57399514149595471961908157955229677377312712667508119466382354072731648

λ> compuestos [2,3,5] !! (10^5)

290237644800000000000000000000000000000

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- 1ª solución
-- ===========

compuestos1 :: [Integer] -> [Integer]
compuestos1 ps =
  [n | n <- [1..], esCompuesto ps n]

-- (esCompuesto ps n) se verifica si los factores primos de n pertenecen
-- a ps. Por ejemplo, 
--    esCompuesto [2,3,7]    28  ==  True
--    esCompuesto [2,3,7]   140  ==  False
--    esCompuesto [2,3,5,7] 140  ==  True
esCompuesto :: [Integer] -> Integer -> Bool
esCompuesto ps n =
  subconjunto (primeFactors n) ps

-- (subconjunto xs ys) se verifica si todos los elementos de xs
-- pertenecen a ys. Por ejemplo, 
--    subconjunto [2,7,2] [7,5,2]  ==  True
--    subconjunto [2,7,3] [7,5,2]  ==  False
subconjunto :: Eq a => [a] -> [a] -> Bool
subconjunto xs ys =
  all (`elem` ys) xs

-- 2ª solución
-- ===========

compuestos2 :: [Integer] -> [Integer]
compuestos2 ps =
   1 : mezclaTodas (combinaciones ps)

-- (combinaciones ps) es la lista de los productos de cada elemento de
-- ps por los números compuestos con ps. Por ejemplo,
--    λ> take 8 (compuestos4 [2,5,7])
--    [1,2,4,5,7,8,10,14]
--    λ> map (take 6) (combinaciones [2,5,7])
--    [[2,4,8,10,14,16],[5,10,20,25,35,40],[7,14,28,35,49,56]]
combinaciones :: [Integer] -> [[Integer]]
combinaciones ps =
  [[p * q | q <- compuestos2 ps] | p <- ps]

-- (mezclaTodas xss) es la mezcla ordenada de xss, donde tanto xss como
-- sus elementos son listas infinitas ordenadas. Por ejemplo, 
--    λ> take 10 (mezclaTodas [[n,2*n..] | n <- [2..]])
--    [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]
--    λ> take 10 (mezclaTodas [[n,2*n..] | n <- [2,9..]])
--    [2,4,6,8,9,10,12,14,16,18]
mezclaTodas :: [[Integer]] -> [Integer]
mezclaTodas = foldr1 xmezcla
  where xmezcla (x:xs) ys = x : mezcla xs ys

-- (mezcla xs ys) es la mezcla, eliminando repetidos, de las lista
-- ordenadas xs e ys. Por ejemplo,  
mezcla :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]
mezcla []     ys              = ys
mezcla xs     []              = xs
mezcla us@(x:xs) vs@(y:ys) | x == y     = x : mezcla xs ys
                           | x < y      = x : mezcla xs vs
                           | otherwise  = y : mezcla us ys

-- 3ª solución
-- ===========

compuestos3 :: [Integer] -> [Integer]
compuestos3 [] = [1]
compuestos3 (p:ps) =
  mezclaTodas [map (*y) (compuestos3 ps) | y <- [p^k | k <- [0..]]]

-- 4ª solución
-- ===========

compuestos4 :: [Integer] -> [Integer]
compuestos4 ps = foldl aux xs (tail ps)
  where p        = head ps
        xs       = [p^k | k <- [0..]]
        aux xs p = mezclaTodas [map (*y) xs | y <- [p^k | k <- [0..]]]

-- 5ª solución
-- ===========

compuestos5 :: [Integer] -> [Integer]
compuestos5 = foldl aux [1] 
  where aux xs p = mezclaTodas [map (*y) xs | y <- [p^k | k <- [0..]]]

-- 6ª solución
-- ===========

compuestos6 :: [Integer] -> [Integer]
compuestos6 xs = aux
  where aux = 1 : mezclas xs aux
        mezclas []     _  = []
        mezclas (x:xs) zs = mezcla (map (x*) zs) (mezclas xs zs)

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

--    λ> compuestos1 [2,3,5] !! 300
--    84375
--    (5.85 secs, 2,961,101,088 bytes)
--    λ> compuestos2 [2,3,5] !! 300
--    84375
--    (3.54 secs, 311,137,952 bytes)
--    λ> compuestos2 [2,3,5] !! 400
--    312500
--    (13.01 secs, 1,229,801,184 bytes)
--    λ> compuestos3 [2,3,5] !! 400
--    312500
--    (0.02 secs, 2,066,152 bytes)
--    λ> compuestos3 [2,3,5] !! 20000
--    15441834907098675000000
--    (1.57 secs, 203,061,864 bytes)
--    λ> compuestos4 [2,3,5] !! 20000
--    15441834907098675000000
--    (0.40 secs, 53,335,080 bytes)
--    λ> compuestos4 [2,3,5] !! 50000
--    2379528690747474604574166220800
--    (1.25 secs, 170,058,496 bytes)
--    λ> compuestos5 [2,3,5] !! 50000
--    2379528690747474604574166220800
--    (1.26 secs, 170,104,648 bytes)
--    λ> compuestos6 [2,3,5] !! 50000
--    2379528690747474604574166220800
--    (0.26 secs, 40,490,280 bytes)

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

-- 1ª solución

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

compuestos1 :: [Integer] -> [Integer]

compuestos1 ps =

[n | n <- [1..], esCompuesto ps n]

-- (esCompuesto ps n) se verifica si los factores primos de n pertenecen

-- a ps. Por ejemplo,

-- esCompuesto [2,3,7] 28 == True

-- esCompuesto [2,3,7] 140 == False

-- esCompuesto [2,3,5,7] 140 == True

esCompuesto :: [Integer] -> Integer -> Bool

esCompuesto ps n =

subconjunto (primeFactors n) ps

-- (subconjunto xs ys) se verifica si todos los elementos de xs

-- pertenecen a ys. Por ejemplo,

-- subconjunto [2,7,2] [7,5,2] == True

-- subconjunto [2,7,3] [7,5,2] == False

subconjunto :: Eq a => [a] -> [a] -> Bool

subconjunto xs ys =

all (`elem` ys) xs

-- 2ª solución

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

compuestos2 :: [Integer] -> [Integer]

compuestos2 ps =

1 : mezclaTodas (combinaciones ps)

-- (combinaciones ps) es la lista de los productos de cada elemento de

-- ps por los números compuestos con ps. Por ejemplo,

-- λ> take 8 (compuestos4 [2,5,7])

-- [1,2,4,5,7,8,10,14]

-- λ> map (take 6) (combinaciones [2,5,7])

-- [[2,4,8,10,14,16],[5,10,20,25,35,40],[7,14,28,35,49,56]]

combinaciones :: [Integer] -> [[Integer]]

combinaciones ps =

[[p * q | q <- compuestos2 ps] | p <- ps]

-- (mezclaTodas xss) es la mezcla ordenada de xss, donde tanto xss como

-- sus elementos son listas infinitas ordenadas. Por ejemplo,

-- λ> take 10 (mezclaTodas [[n,2*n..] | n <- [2..]])

-- [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]

-- λ> take 10 (mezclaTodas [[n,2*n..] | n <- [2,9..]])

-- [2,4,6,8,9,10,12,14,16,18]

mezclaTodas :: [[Integer]] -> [Integer]

mezclaTodas = foldr1 xmezcla

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

-- (mezcla xs ys) es la mezcla, eliminando repetidos, de las lista

-- ordenadas xs e ys. Por ejemplo,

mezcla :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]

mezcla [] ys = ys

mezcla xs [] = xs

mezcla us@(x:xs) vs@(y:ys) | x == y = x : mezcla xs ys

| x < y = x : mezcla xs vs

| otherwise = y : mezcla us ys

-- 3ª solución

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

compuestos3 :: [Integer] -> [Integer]

compuestos3 [] = [1]

compuestos3 (p:ps) =

mezclaTodas [map (*y) (compuestos3 ps) | y <- [p^k | k <- [0..]]]

-- 4ª solución

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

compuestos4 :: [Integer] -> [Integer]

compuestos4 ps = foldl aux xs (tail ps)

where p = head ps

xs = [p^k | k <- [0..]]

aux xs p = mezclaTodas [map (*y) xs | y <- [p^k | k <- [0..]]]

-- 5ª solución

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

compuestos5 :: [Integer] -> [Integer]

compuestos5 = foldl aux [1]

where aux xs p = mezclaTodas [map (*y) xs | y <- [p^k | k <- [0..]]]

-- 6ª solución

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

compuestos6 :: [Integer] -> [Integer]

compuestos6 xs = aux

where aux = 1 : mezclas xs aux

mezclas [] _ = []

mezclas (x:xs) zs = mezcla (map (x*) zs) (mezclas xs zs)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> compuestos1 [2,3,5] !! 300

-- 84375

-- (5.85 secs, 2,961,101,088 bytes)

-- λ> compuestos2 [2,3,5] !! 300

-- 84375

-- (3.54 secs, 311,137,952 bytes)

-- λ> compuestos2 [2,3,5] !! 400

-- 312500

-- (13.01 secs, 1,229,801,184 bytes)

-- λ> compuestos3 [2,3,5] !! 400

-- 312500

-- (0.02 secs, 2,066,152 bytes)

-- λ> compuestos3 [2,3,5] !! 20000

-- 15441834907098675000000

-- (1.57 secs, 203,061,864 bytes)

-- λ> compuestos4 [2,3,5] !! 20000

-- 15441834907098675000000

-- (0.40 secs, 53,335,080 bytes)

-- λ> compuestos4 [2,3,5] !! 50000

-- 2379528690747474604574166220800

-- (1.25 secs, 170,058,496 bytes)

-- λ> compuestos5 [2,3,5] !! 50000

-- 2379528690747474604574166220800

-- (1.26 secs, 170,104,648 bytes)

-- λ> compuestos6 [2,3,5] !! 50000

-- 2379528690747474604574166220800

-- (0.26 secs, 40,490,280 bytes)

Cálculo de pi mediante la serie de Nilakantha

PorJosé A. Alonso 11-abril-201825-marzo-2022

Una serie infinita para el cálculo de pi, publicada por Nilakantha en el siglo XV, es

Definir las funciones

   aproximacionPi :: Int -> Double
   tabla          :: FilePath -> [Int] -> IO ()

1 2	aproximacionPi :: Int -> Double tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()

tales que

(aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi obtenido sumando los n primeros términos de la serie de Nilakantha. Por ejemplo,

     aproximacionPi 0        ==  3.0
     aproximacionPi 1        ==  3.1666666666666665
     aproximacionPi 2        ==  3.1333333333333333
     aproximacionPi 3        ==  3.145238095238095
     aproximacionPi 4        ==  3.1396825396825396
     aproximacionPi 5        ==  3.1427128427128426
     aproximacionPi 10       ==  3.1414067184965018
     aproximacionPi 100      ==  3.1415924109719824
     aproximacionPi 1000     ==  3.141592653340544
     aproximacionPi 10000    ==  3.141592653589538
     aproximacionPi 100000   ==  3.1415926535897865
     aproximacionPi 1000000  ==  3.141592653589787
     pi                      ==  3.141592653589793

aproximacionPi 0 == 3.0

aproximacionPi 1 == 3.1666666666666665

aproximacionPi 2 == 3.1333333333333333

aproximacionPi 3 == 3.145238095238095

aproximacionPi 4 == 3.1396825396825396

aproximacionPi 5 == 3.1427128427128426

aproximacionPi 10 == 3.1414067184965018

aproximacionPi 100 == 3.1415924109719824

aproximacionPi 1000 == 3.141592653340544

aproximacionPi 10000 == 3.141592653589538

aproximacionPi 100000 == 3.1415926535897865

aproximacionPi 1000000 == 3.141592653589787

pi == 3.141592653589793

(tabla f ns) escribe en el fichero f las n-ésimas aproximaciones de pi, donde n toma los valores de la lista ns, junto con sus errores. Por ejemplo, al evaluar la expresión

     tabla "AproximacionesPi.txt" [0,10..100]

1	tabla "AproximacionesPi.txt" [0,10..100]

hace que el contenido del fichero «AproximacionesPi.txt» sea

+------+----------------+----------------+
| n    | Aproximación   | Error          |
+------+----------------+----------------+
|    0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |
|   10 | 3.141406718497 | 0.000185935093 |
|   20 | 3.141565734659 | 0.000026918931 |
|   30 | 3.141584272675 | 0.000008380915 |
|   40 | 3.141589028941 | 0.000003624649 |
|   50 | 3.141590769850 | 0.000001883740 |
|   60 | 3.141591552546 | 0.000001101044 |
|   70 | 3.141591955265 | 0.000000698325 |
|   80 | 3.141592183260 | 0.000000470330 |
|   90 | 3.141592321886 | 0.000000331704 |
|  100 | 3.141592410972 | 0.000000242618 |
+------+----------------+----------------+

+------+----------------+----------------+

| n | Aproximación | Error |

+------+----------------+----------------+

| 0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |

| 10 | 3.141406718497 | 0.000185935093 |

| 20 | 3.141565734659 | 0.000026918931 |

| 30 | 3.141584272675 | 0.000008380915 |

| 40 | 3.141589028941 | 0.000003624649 |

| 50 | 3.141590769850 | 0.000001883740 |

| 60 | 3.141591552546 | 0.000001101044 |

| 70 | 3.141591955265 | 0.000000698325 |

| 80 | 3.141592183260 | 0.000000470330 |

| 90 | 3.141592321886 | 0.000000331704 |

| 100 | 3.141592410972 | 0.000000242618 |

+------+----------------+----------------+

al evaluar la expresión

     tabla "AproximacionesPi.txt" [0,500..5000]

1	tabla "AproximacionesPi.txt" [0,500..5000]

hace que el contenido del fichero «AproximacionesPi.txt» sea

+------+----------------+----------------+
| n    | Aproximación   | Error          |
+------+----------------+----------------+
|    0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |
|  500 | 3.141592651602 | 0.000000001988 |
| 1000 | 3.141592653341 | 0.000000000249 |
| 1500 | 3.141592653516 | 0.000000000074 |
| 2000 | 3.141592653559 | 0.000000000031 |
| 2500 | 3.141592653574 | 0.000000000016 |
| 3000 | 3.141592653581 | 0.000000000009 |
| 3500 | 3.141592653584 | 0.000000000006 |
| 4000 | 3.141592653586 | 0.000000000004 |
| 4500 | 3.141592653587 | 0.000000000003 |
| 5000 | 3.141592653588 | 0.000000000002 |
+------+----------------+----------------+

+------+----------------+----------------+

| n | Aproximación | Error |

+------+----------------+----------------+

| 0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |

| 500 | 3.141592651602 | 0.000000001988 |

| 1000 | 3.141592653341 | 0.000000000249 |

| 1500 | 3.141592653516 | 0.000000000074 |

| 2000 | 3.141592653559 | 0.000000000031 |

| 2500 | 3.141592653574 | 0.000000000016 |

| 3000 | 3.141592653581 | 0.000000000009 |

| 3500 | 3.141592653584 | 0.000000000006 |

| 4000 | 3.141592653586 | 0.000000000004 |

| 4500 | 3.141592653587 | 0.000000000003 |

| 5000 | 3.141592653588 | 0.000000000002 |

+------+----------------+----------------+

Soluciones

import Text.Printf

-- 1ª solución
-- ===========

aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n = serieNilakantha !! n

serieNilakantha :: [Double]
serieNilakantha = scanl1 (+) terminosNilakantha

terminosNilakantha :: [Double]
terminosNilakantha = zipWith (/) numeradores denominadores
  where numeradores   = 3 : cycle [4,-4]
        denominadores = 1 : [n*(n+1)*(n+2) | n <- [2,4..]]

-- 2ª solución
-- ===========

aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 = aux 3 2 1
  where aux x _ _ 0 = x
        aux x y z m =
          aux (x+4/product[y..y+2]*z) (y+2) (negate z) (m-1)

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

--    λ> aproximacionPi (2*10^5)
--    3.141592653589787
--    (0.82 secs, 145,964,728 bytes)
--    λ> aproximacionPi2 (2*10^5)
--    3.141592653589787
--    (2.27 secs, 432,463,496 bytes)
--    λ> aproximacionPi (3*10^5)
--    3.141592653589787
--    (0.34 secs, 73,056,488 bytes)
--    λ> aproximacionPi2 (3*10^5)
--    3.141592653589787
--    (3.24 secs, 648,603,824 bytes)

-- Definicioń de tabla
-- ===================

tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()
tabla f ns = do
  writeFile f (tablaAux ns)

tablaAux :: [Int] -> String
tablaAux ns =
     linea
  ++ cabecera
  ++ linea
  ++ concat [printf "| %4d | %.12f | %.12f |\n" n a e
            | n <- ns
            , let a = aproximacionPi n
            , let e = abs (pi - a)]
  ++ linea

linea :: String
linea = "+------+----------------+----------------+\n"

cabecera :: String
cabecera = "| n    | Aproximación   | Error          |\n"

import Text.Printf

-- 1ª solución

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

aproximacionPi :: Int -> Double

aproximacionPi n = serieNilakantha !! n

serieNilakantha :: [Double]

serieNilakantha = scanl1 (+) terminosNilakantha

terminosNilakantha :: [Double]

terminosNilakantha = zipWith (/) numeradores denominadores

where numeradores = 3 : cycle [4,-4]

denominadores = 1 : [n*(n+1)*(n+2) | n <- [2,4..]]

-- 2ª solución

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

aproximacionPi2 :: Int -> Double

aproximacionPi2 = aux 3 2 1

where aux x _ _ 0 = x

aux x y z m =

aux (x+4/product[y..y+2]*z) (y+2) (negate z) (m-1)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> aproximacionPi (2*10^5)

-- 3.141592653589787

-- (0.82 secs, 145,964,728 bytes)

-- λ> aproximacionPi2 (2*10^5)

-- 3.141592653589787

-- (2.27 secs, 432,463,496 bytes)

-- λ> aproximacionPi (3*10^5)

-- 3.141592653589787

-- (0.34 secs, 73,056,488 bytes)

-- λ> aproximacionPi2 (3*10^5)

-- 3.141592653589787

-- (3.24 secs, 648,603,824 bytes)

-- Definicioń de tabla

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

tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()

tabla f ns = do

writeFile f (tablaAux ns)

tablaAux :: [Int] -> String

tablaAux ns =

linea

++ cabecera

++ linea

++ concat [printf "| %4d | %.12f | %.12f |\n" n a e

| n <- ns

, let a = aproximacionPi n

, let e = abs (pi - a)]

++ linea

linea :: String

linea = "+------+----------------+----------------+\n"

cabecera :: String

cabecera = "| n | Aproximación | Error |\n"

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