Hojas con caminos no decrecientes

Los árboles se pueden representar mediante el siguiente tipo de datos

Por ejemplo, los árboles

se representan por

Definir la función

tal que (hojasEnNoDecreciente a) es el conjunto de las hojas de a que se encuentran en alguna rama no decreciente. Por ejemplo,

Soluciones

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Orden de divisibilidad

El orden de divisibilidad de un número x es el mayor n tal que para todo i menor o igual que n, los i primeros dígitos de n es divisible por i. Por ejemplo, el orden de divisibilidad de 74156 es 3 porque

Definir la función

tal que (ordenDeDivisibilidad x) es el orden de divisibilidad de x. Por ejemplo,

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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

Definir las funciones

tales que

  • (aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi con la fracción continua de Lange. Por ejemplo,

  • (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

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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

tales que

  • (aproximacionPi n) es la aproximación de pi obtenida sumando los n primeros términos de la serie de Euler. Por ejemplo.

  • (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

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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

tales que

  • (indiceGoldbach n) es el índice de Goldbach de n. Por ejemplo,

  • (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.

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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.

Repeticiones consecutivas

Se dice que una palabra tiene una repetición en una frase si es igual a una, o más, de las palabras consecutivas sin distinguir mayúsculas de minúsculas.

Definir la función

tal que (nRepeticionesConsecutivas cs) es el número de repeticiones de palabras consecutivas de la cadena cs. Por ejemplo,

Soluciones

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Pensamiento

«En el campo de la computación, el momento de la verdad es la ejecución de un programa; todo lo demás es profecía.»

Herbert A. Simon.

Medias de dígitos de pi

El fichero Digitos_de_pi.txt contiene el número pi con un millón de decimales; es decir,

Definir las funciones

tales que

  • mediasDigitosDePi es la sucesión cuyo n-ésimo elemento es la media de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

  • (graficaMediasDigitosDePi n) dibuja la gráfica de los n primeros términos de mediasDigitosDePi. Por ejemplo,
    • (graficaMediasDigitosDePi 20) dibuja
    • (graficaMediasDigitosDePi 200) dibuja
    • (graficaMediasDigitosDePi 2000) dibuja

Soluciones

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Pensamiento

Es el mejor de los buenos
quien sabe que en esta vida
todo es cuestión de medida:
un poco más, algo menos.

Antonio Machado

Reducción de SAT a Clique

Nota: En este ejercicio se usa la misma notación que en los anteriores importando los módulos

Definir las funciones

tales que

  • (cliquesFNCf) es la lista de los cliques del grafo de f. Por ejemplo,

  • (cliquesCompletos f) es la lista de los cliques del grafo de f que tiene tantos elementos como cláusulas tiene f. Por ejemplo,

  • (esSatisfaciblePorClique f) se verifica si f no contiene la cláusula vacía, tiene más de una cláusula y posee algún clique completo. Por ejemplo,

Comprobar con QuickCheck que toda fórmula en FNC es satisfacible si, y solo si, es satisfacible por Clique.

Soluciones

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Pensamiento

«La resolución de problemas es una habilidad práctica como, digamos, la natación. Adquirimos cualquier habilidad práctica por imitación y práctica. Tratando de nadar, imitas lo que otras personas hacen con sus manos y pies para mantener sus cabezas sobre el agua, y, finalmente, aprendes a nadar practicando la natación. Al intentar resolver problemas, hay que observar e imitar lo que hacen otras personas al resolver problemas y, finalmente, se aprende a resolver problemas haciéndolos.»

George Pólya.

Átomos de FNC (fórmulas en forma normal conjuntiva)

Nota: En este ejercicio usaremos las mismas notaciones que en el anterior importando el módulo Evaluacion_de_FNC.

Definir las siguientes funciones

tales que

  • (atomosClausula c) es el conjunto de los átomos de la cláusula c. Por ejemplo,

  • (atomosFNC f) es el conjunto de los átomos de la FNC f. Por ejemplo,

Nota: Escribir la solución en el módulo Atomos_de_FNC para poderlo usar en los siguientes ejercicios.

Soluciones

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Pensamiento

«La esencia de las matemáticas es su libertad.»

Georg Cantor.

Máximo número de consecutivos iguales al dado

Definir la función

tal que (maximoConsecutivosIguales x xs) es el mayor número de elementos consecutivos en xs iguales a x. Por ejemplo,

Soluciones

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Pensamiento

«La programación de computadoras es un arte, porque aplica el conocimiento
acumulado al mundo, porque requiere habilidad e ingenio, y especialmente
porque produce belleza. Un programador que subconscientemente se ve
a sí mismo como un artista disfrutará con lo que hace y lo hará mejor.»

Donald Knuth.

Acotación del primorial

El primorial de un número natural n es el producto de todos los números primos menores o iguales a n. Por ejemplo, el primorial de 5 es 30 porque el producto de los primos menores o iguales que 5 es

La propiedad de Erdös de acotación de los primoriales afirma que

Para todo número natural n, su primorial es menor o igual que 4ⁿ.

Definir las funciones

tales que

  • (primorial n) es el primorial de n. Por ejemplo,

  • primoriales es la sucesión de los primoriales. Por ejemplo,

Comprobar con QuickCheck la propiedad de Erdös de acotación de los primoriales.

Soluciones

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Pensamiento

«Las matemáticas son la reina de las ciencias y la teoría de los números es la reina de las matemáticas.»

Carl Friedrich Gauss.

Longitud de la parte periódica

La propiedad de la longitud de la parte periódica afirma que

Si p es un número primo distinto de 2 y de 5, entonces la longitud del período de 1/p es el menor entero positivo n tal que p divide a 10^n - 1.

El objetivo de este ejercicio es la verificación de dicha propiedad.

Las fracciones se representan por un par de enteros. Por ejemplo, el número 2/3 se representa por (2,3). Su tipo es

Los números decimales se representan por ternas, donde el primer elemento es la parte entera, el segundo es el anteperíodo y el tercero es el período. Por ejemplo,

Su tipo es

Definir, usando las funciones cocientesRestos y primerRepetido de los ejercicios anteriores, las funciones

tales que

  • (decimal f) es la representación decimal de la fracción f. Por ejemplo,

  • (longitudPeriodo f) es la longitud de la parte periódica de la representación decimal de la fracción f. Por ejemplo,

Comprobar con QuickCheck la propiedad de la longitud de la parte periódica; es decir, k es un número natural distinto de 0 y 2 y p es el primo k-ésimo, entonces la longitud del período de 1/p es el menor entero positivo n tal que p divide a 10^n - 1..

Soluciones

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Pensamiento

«En el desarrollo de la comprensión de los fenómenos complejos, la herramienta más poderosa de que dispone el intelecto humano es la abstracción. La abstracción surge del reconocimiento de las similitudes entre ciertos objetos, situaciones o procesos en el mundo real y de la decisión de concentrarse en estas similitudes e ignorar, por el momento, sus diferencias.»

Tony Hoare

La conjetura de Mertens

Un número entero n es libre de cuadrados si no existe un número primo p tal que p² divide a n; es decir, los factores primos de n son todos distintos.

La función de Möbius μ(n) está definida para todos los enteros positivos como sigue:

  • μ(n) = 1 si n es libre de cuadrados y tiene un número par de factores primos.
  • μ(n) = -1 si n es libre de cuadrados y tiene un número impar de factores primos.
  • μ(n) = 0 si n no es libre de cuadrados.

Sus primeros valores son 1, -1, -1, 0, -1, 1, -1, 0, 0, 1, …

La función de Mertens M(n) está definida para todos los enteros positivos como la suma de μ(k) para 1 ≤ k ≤ n. Sus primeros valores son 1, 0, -1, -1, -2, -1, -2, -2, …

La conjetura de Mertens afirma que

Para todo entero x mayor que 1, el valor absoluto de la función de Mertens en x es menor que la raíz cuadrada de x.

La conjetura fue planteada por Franz Mertens en 1897. Riele Odlyzko, demostraronen 1985 que la conjetura de Mertens deja de ser cierta más o menos a partir de 10^{10^{64}}, cifra que luego de algunos refinamientos se redujo a 10^{10^{40}}.

Definir las funciones

tales que

  • (mobius n) es el valor de la función de Möbius en n. Por ejemplo,

  • (mertens n) es el valor de la función de Mertens en n. Por ejemplo,

  • (graficaMertens n) dibuja la gráfica de la función de Mertens, la raíz cuadrada y el opuestos de la raíz cuadrada para los n primeros n enteros positivos. Por ejemplo, (graficaMertens 1000) dibuja

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Mertens.

Nota: El ejercicio está basado en La conjetura de Merterns y su relación con un número tan raro como extremada y colosalmente grande publicado por @Alvy la semana pasada en Microsiervos.

Soluciones

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Pensamiento

«El control de la complejidad es la esencia de la programación informática.»

Brian Kernighan.

Teorema de la amistad

El teorema de la amistad afirma que

En cualquier reunión de n personas hay al menos dos personas que tienen el mismo número de amigos (suponiendo que la relación de amistad es simétrica).

Se pueden usar las siguientes representaciones:

  • números enteros para representar a las personas,
  • pares de enteros (x,y), con x < y, para representar que la persona x e y son amigas y
  • lista de pares de enteros para representar la reunión junto con las relaciones de amistad.

Por ejemplo, [(2,3),(3,5)] representa una reunión de tres personas
(2, 3 y 5) donde

  • 2 es amiga de 3,
  • 3 es amiga de 2 y 5 y
  • 5 es amiga de 3.
    Si clasificamos las personas poniendo en la misma clase las que tienen el mismo número de amigos, se obtiene [[2,5],[3]] ya que 2 y 5 tienen 1 amigo y 3 tiene 2 amigos.

Definir la función

tal que (clasesAmigos r) es la clasificación según el número de amigos de las personas de la reunión r; es decir, la lista cuyos elementos son las listas de personas con 1 amigo, con 2 amigos y así hasta que se completa todas las personas de la reunión r. Por ejemplo,

Comprobar con QuickCheck el teorema de la amistad; es decir, si r es una lista de pares de enteros, entonces (clasesAmigos r’) donde r’ es la lista de los pares (x,y) de r con x < y y se supone que r’ es no vacía.

Soluciones

Referencia

Pensamiento

Me dijo el agua clara que reía,
bajo el sol, sobre el mármol de la fuente:
si te inquieta el enigma del presente
aprende el son de la salmodia mía.

Antonio Machado

Teorema de Hilbert-Waring

El problema de Waring, propuesto por Edward Waring consiste en déterminar si, para cada número entero k mayor que 1, existe un número n tal que todo entero positivo se puede escribir como una suma de k-potencias de números positivos con n sumandos como máximo.

La respuesta afirmativa al problema, aportada por David Hilbert, se conoce como el teorema de Hilbert-Waring. Su enunciado es

Para cada número entero k, con k ≥ 2, existe un entero positivo g(k) tal que todo entero positivo se puede expresar como una suma de a lo más g(k) k-ésimas potencias.

Definir las funciones

tales que

  • (descomposiciones x k n) es la lista de descomposiciones de x como suma de n potencias con exponente k de números enteros positivos.

  • (orden x k) es el menor número de sumandos necesario para expresar x como suma de k-ésimas potencias. Por ejemplo,

Comprobar el teorema de Hilbert-Waring para k hasta 7; es decir, para todo número x positivo se verifica que

y, en general,

Soluciones

Referencia

Pensamiento

¡Y en la tersa arena,
cerca de la mar,
tu carne rosa y morena,
súbitamente Guiomar!

Antonio Machado

Teorema de Liouville sobre listas CuCu

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

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

puesto que el número de sus divisores es

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

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

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

Definir las funciones

tales que

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

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

Comprobar con QuickCheck

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

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

Soluciones

Pensamiento

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

Antonio Machado

Enumeración de conjuntos finitos de naturales

Los conjuntos finitos de números naturales se pueden enumerar como sigue

en la que los elementos están ordenados de manera decreciente.

Definir la constante

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

Comprobar con QuickCheck que

  • si (xs,ys) es un par de elementos consecutivos de enumeracionCFN, entonces xs < ys;
  • todo conjunto finito de números naturales, representado por una lista decreciente, está en enumeracionCFN.

Soluciones

Pensamiento

Junto al agua fría,
en la senda clara,
sombra dará algún día,
ese arbolillo en que nadie repara.

Antonio Machado

Cálculo de pi usando la fórmula de Vieta

La fórmula de Vieta para el cálculo de pi es la siguiente
Calculo_de_pi_usando_la_formula_de_Vieta

Definir las funciones

tales que

  • (aproximacionPi n) es la aproximación de pi usando n factores de la fórmula de Vieta. Por ejemplo,

  • (errorPi x) es el menor número de factores de la fórmula de Vieta necesarios para obtener pi con un error menor que x. Por ejemplo,

Soluciones

Pensamiento

El tiempo que la barba me platea,
cavó mis ojos y agrandó mi frente,
va siendo en mi recuerdo transparente,
y mientras más al fondo, más clarea.

Antonio Machado

Pares definidos por su MCD y su MCM

Definir las siguientes funciones

tales que

  • (pares a b) es la lista de los pares de números enteros positivos tales que su máximo común divisor es a y su mínimo común múltiplo es b. Por ejemplo,

  • (nPares a b) es el número de pares de enteros positivos tales que su máximo común divisor es a y su mínimo común múltiplo es b. Por ejemplo,

Soluciones

Pensamiento

Largo es el camino de la enseñanza por medio de teorías; breve y eficaz por medio de ejemplos. ~ Séneca

Primos o cuadrados de primos

Definir la constante

cuyos elementos son los número primos o cuadrados de primos. Por ejemplo,