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Etiqueta: map

Codificación de Fibonacci

La codificación de Fibonacci de un número n es una cadena d = d(0)d(1)…d(k-1)d(k) de ceros y unos tal que

   n = d(0)*F(2) + d(1)*F(3) +...+ d(k-1)*F(k+1) 
   d(k-1) = d(k) = 1

donde F(i) es el i-ésimo término de la sucesión de Fibonacci.

   0,1,1,2,3,5,8,13,21,34,...

Por ejemplo. La codificación de Fibonacci de 4 es “1011” ya que los dos últimos elementos son iguales a 1 y

   1*F(2) + 0*F(3) + 1*F(4) = 1*1 + 0*2 + 1*3 = 4

La codificación de Fibonacci de los primeros números se muestra en la siguiente tabla

    1  = 1     = F(2)           ≡       11
    2  = 2     = F(3)           ≡      011
    3  = 3     = F(4)           ≡     0011
    4  = 1+3   = F(2)+F(4)      ≡     1011
    5  = 5     = F(5)           ≡    00011
    6  = 1+5   = F(2)+F(5)      ≡    10011
    7  = 2+5   = F(3)+F(5)      ≡    01011
    8  = 8     = F(6)           ≡   000011
    9  = 1+8   = F(2)+F(6)      ≡   100011
   10  = 2+8   = F(3)+F(6)      ≡   010011
   11  = 3+8   = F(4)+F(6)      ≡   001011
   12  = 1+3+8 = F(2)+F(4)+F(6) ≡   101011
   13  = 13    = F(7)           ≡  0000011
   14  = 1+13  = F(2)+F(7)      ≡  1000011

Definir la función

   codigoFib :: Integer -> String

tal que (codigoFib n) es la codificación de Fibonacci del número n. Por ejemplo,

   λ> codigoFib 65
   "0100100011"
   λ> [codigoFib n | n <- [1..7]]
   ["11","011","0011","1011","00011","10011","01011"]

Soluciones

import Data.List
import Data.Array
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
codigoFib1 :: Integer -> String
codigoFib1 = (concatMap show) . codificaFibLista
 
-- (codificaFibLista n) es la lista correspondiente a la codificación de
-- Fibonacci del número n. Por ejemplo,
--    λ> codificaFibLista 65
--    [0,1,0,0,1,0,0,0,1,1]
--    λ> [codificaFibLista n | n <- [1..7]]
--    [[1,1],[0,1,1],[0,0,1,1],[1,0,1,1],[0,0,0,1,1],[1,0,0,1,1],[0,1,0,1,1]]
codificaFibLista :: Integer -> [Integer]
codificaFibLista n = map f [2..head xs] ++ [1]
  where xs = map fst (descomposicion n)
        f i | elem i xs = 1
            | otherwise = 0
 
-- (descomposicion n) es la lista de pares (i,f) tales que f es el
-- i-ésimo número de Fibonacci y las segundas componentes es una
-- sucesión decreciente de números de Fibonacci cuya suma es n. Por
-- ejemplo, 
--    descomposicion 65  ==  [(10,55),(6,8),(3,2)]
--    descomposicion 66  ==  [(10,55),(6,8),(4,3)]
descomposicion :: Integer -> [(Integer, Integer)]
descomposicion 0 = []
descomposicion 1 = [(2,1)]
descomposicion n = (i,x) : descomposicion (n-x)
  where (i,x) = fibAnterior n
 
-- (fibAnterior n) es el mayor número de Fibonacci menor o igual que
-- n. Por ejemplo,
--    fibAnterior 33  ==  (8,21)
--    fibAnterior 34  ==  (9,34)
fibAnterior :: Integer -> (Integer, Integer)
fibAnterior n = last (takeWhile p fibsConIndice)
  where p (i,x) = x <= n
 
-- fibsConIndice es la sucesión de los números de Fibonacci junto con
-- sus índices. Por ejemplo,
--    λ> take 10 fibsConIndice
--    [(0,0),(1,1),(2,1),(3,2),(4,3),(5,5),(6,8),(7,13),(8,21),(9,34)]
fibsConIndice :: [(Integer, Integer)]
fibsConIndice = zip [0..] fibs
 
-- fibs es la sucesión de Fibonacci. Por ejemplo, 
--    take 10 fibs  ==  [0,1,1,2,3,5,8,13,21,34]
fibs :: [Integer]
fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)
 
--- 2ª solución
-- ============
 
codigoFib2 :: Integer -> String
codigoFib2 = (concatMap show) . elems . codificaFibVec
 
-- (codificaFibVec n) es el vector correspondiente a la codificación de
-- Fibonacci del número n. Por ejemplo,
--    λ> codificaFibVec 65
--    array (0,9) [(0,0),(1,1),(2,0),(3,0),(4,1),(5,0),(6,0),(7,0),(8,1),(9,1)]
--    λ> [elems (codificaFibVec n) | n <- [1..7]]
--    [[1,1],[0,1,1],[0,0,1,1],[1,0,1,1],[0,0,0,1,1],[1,0,0,1,1],[0,1,0,1,1]]
codificaFibVec :: Integer -> Array Integer Integer
codificaFibVec n = accumArray (+) 0 (0,a+1) ((a+1,1):is) 
  where is = [(i-2,1) | (i,x) <- descomposicion n]
        a  = fst (head is)
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
--    λ> head [n | n <- [1..], length (codigoFib1 n) > 25]
--    121393
--    (14.37 secs, 3135674112 bytes)
--    λ> :r
--    Ok, modules loaded: Main.
--    λ> head [n | n <- [1..], length (codigoFib2 n) > 25]
--    121393
--    (12.04 secs, 2762190920 bytes)
 
-- Propiedades
-- ===========
 
-- Usaremos la 2ª definición
codigoFib :: Integer -> String
codigoFib = codigoFib2
 
-- Prop.: La función descomposicion es correcta:
propDescomposicionCorrecta :: Integer -> Property
propDescomposicionCorrecta n =
  n >= 0 ==> n == sum (map snd (descomposicion n))
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck propDescomposicionCorrecta
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Prop.: Todo número natural se puede descomponer en suma de números de
-- la sucesión de Fibonacci.
propDescomposicion :: Integer -> Property
propDescomposicion n =
  n >= 0 ==> not (null (descomposicion n))
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck propDescomposicion
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Prop.: Las codificaciones de Fibonacci tienen como mínimo 2 elementos.
prop1 :: Integer -> Property
prop1 n = n > 0 ==> length (codigoFib n) >= 2
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop1
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Prop.: Los dos últimos elementos de las codificaciones de Fibonacci
-- son iguales a 1.
prop2 :: Integer -> Property
prop2 n = n > 0 ==> take 2 (reverse (codigoFib n)) == "11"
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop2
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Prop.: En las codificaciones de Fibonacci, la cadena "11" sólo
-- aparece una vez y la única vez que aparece es al final.
prop3 :: Integer -> Property
prop3 n = 
  n > 0 ==> not (isInfixOf "11" (drop 2 (reverse (codigoFib n))))
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop3
--    +++ OK, passed 100 tests.

Cadenas de divisores

Una cadena de divisores de un número n es una lista donde cada elemento es un divisor de su siguiente elemento en la lista. Por ejemplo, las cadenas de divisores de 12 son [2,4,12], [2,6,12], [2,12], [3,6,12], [3,12], [4,12], [6,12] y [12].

Definir la función

   cadenasDivisores :: Int -> [[Int]]

tal que (cadenasDivisores n) es la lista de las cadenas de divisores de n. Por ejemplo,

   λ> cadenasDivisores 12
   [[2,4,12],[2,6,12],[2,12],[3,6,12],[3,12],[4,12],[6,12],[12]]
   λ> length (cadenaDivisores 48)
   48
   λ> length (cadenaDivisores 120)
   132

Soluciones

import Data.List (sort)
import Data.Numbers.Primes (isPrime)
 
-- 1ª definición
-- =============
 
cadenasDivisores :: Int -> [[Int]]
cadenasDivisores n = sort (extiendeLista [[n]])
    where extiendeLista []           = []
          extiendeLista ((1:xs):yss) = xs : extiendeLista yss
          extiendeLista ((x:xs):yss) =
              extiendeLista ([y:x:xs | y <- divisores x] ++ yss)
 
-- (divisores x) es la lista decreciente de los divisores de x distintos
-- de x. Por ejemplo,
--    divisores 12  ==  [6,4,3,2,1]
divisores :: Int -> [Int]
divisores x = 
    [y | y <- [a,a-1..1], x `mod` y == 0]
    where a = x `div` 2
 
-- 2ª definición
-- =============
 
cadenasDivisores2 :: Int -> [[Int]]
cadenasDivisores2 = sort . aux
    where aux 1 = [[]]
          aux n = [xs ++ [n] | xs <- concatMap aux (divisores n)]
 
-- 3ª definición
-- =============
 
cadenasDivisores3 :: Int -> [[Int]]
cadenasDivisores3 = sort . map reverse . aux
    where aux 1 = [[]]
          aux n = map (n:) (concatMap aux (divisores3 n))
 
-- (divisores3 x) es la lista creciente de los divisores de x distintos
-- de x. Por ejemplo,
--    divisores3 12  ==  [1,2,3,4,6]
divisores3 :: Int -> [Int]
divisores3 x = 
    [y | y <- [1..a], x `mod` y == 0]
    where a = x `div` 2
 
-- 1ª definición de nCadenasDivisores
-- ==================================
 
nCadenasDivisores1 :: Int -> Int
nCadenasDivisores1 = length . cadenasDivisores
 
-- 2ª definición de nCadenasDivisores
-- ==================================
 
nCadenasDivisores2 :: Int -> Int
nCadenasDivisores2 1 = 1
nCadenasDivisores2 n = 
    sum [nCadenasDivisores2 x | x <- divisores n]

Sucesión fractal

La sucesión fractal

   0, 0, 1, 0, 2, 1, 3, 0, 4, 2, 5, 1, 6, 3, 7, 0, 8, 4, 9, 2, 
   10, 5, 11, 1, 12, 6, 13, 3, 14, 7, 15, ...

está construida de la siguiente forma:

  • los términos pares forman la sucesión de los números naturales
     0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, ...
  • los términos impares forman la misma sucesión original
     0, 0, 1, 0, 2, 1, 3, 0, 4, 2, 5, 1, 6, 3, 7, ...

Definir las funciones

   sucFractal     :: [Integer]
   sumaSucFractal :: Integer -> Integer

tales que

  • sucFractal es la lista de los términos de la sucesión fractal. Por ejemplo,
     take 20 sucFractal   == [0,0,1,0,2,1,3,0,4,2,5,1,6,3,7,0,8,4,9,2]
     sucFractal !! 30     == 15
     sucFractal !! (10^7) == 5000000
  • (sumaSucFractal n) es la suma de los n primeros términos de la sucesión fractal. Por ejemplo,
     sumaSucFractal 10      == 13
     sumaSucFractal (10^5)  == 1666617368
     sumaSucFractal (10^10) == 16666666661668691669
     sumaSucFractal (10^15) == 166666666666666166673722792954
     sumaSucFractal (10^20) == 1666666666666666666616666684103392376198
     length (show (sumaSucFractal (10^15000))) == 30000
     sumaSucFractal (10^15000) `mod` (10^9)    == 455972157

Soluciones

 
-- 1ª definición de sucFractal
-- ===========================
 
sucFractal1 :: [Integer]
sucFractal1 = 
  map termino [0..]
 
-- (termino n) es el término n de la secuencia anterior. Por ejemplo,
--   termino 0            ==  0
--   termino 1            ==  0
--   map termino [0..10]  ==  [0,0,1,0,2,1,3,0,4,2,5]
termino :: Integer -> Integer
termino 0 = 0
termino n 
  | even n    = n `div` 2
  | otherwise = termino (n `div` 2)
 
-- 2ª definición de sucFractal
-- ===========================
 
sucFractal2 :: [Integer]
sucFractal2 =
  0 : 0 : mezcla [1..] (tail sucFractal2)
 
-- (mezcla xs ys) es la lista obtenida intercalando las listas infinitas
-- xs e ys. Por ejemplo,
--    take 10 (mezcla [0,2..] [0,-2..])  ==  [0,0,2,-2,4,-4,6,-6,8,-8]
mezcla :: [Integer] -> [Integer] -> [Integer]
mezcla (x:xs) (y:ys) =
  x : y : mezcla xs ys
 
-- Comparación de eficiencia de definiciones de sucFractal
-- =======================================================
 
--    λ> sum (take (10^6) sucFractal1)
--    166666169612
--    (5.56 secs, 842,863,264 bytes)
--    λ> sum (take (10^6) sucFractal2)
--    166666169612
--    (1.81 secs, 306,262,616 bytes)
 
-- En lo que sigue usaremos la 2ª definición
sucFractal :: [Integer]
sucFractal = sucFractal2
 
-- 1ª definición de sumaSucFractal
-- ===============================
 
sumaSucFractal1 :: Integer -> Integer
sumaSucFractal1 n =
  sum (map termino [0..n-1])
 
-- 2ª definición de sumaSucFractal
-- ===============================
 
sumaSucFractal2 :: Integer -> Integer
sumaSucFractal2 n =
  sum (take (fromIntegral n) sucFractal)
 
-- 3ª definición de sumaSucFractal
-- ===============================
 
sumaSucFractal3 :: Integer -> Integer
sumaSucFractal3 0 = 0
sumaSucFractal3 1 = 0
sumaSucFractal3 n
  | even n    = sumaN (n `div` 2) + sumaSucFractal3 (n `div` 2)
  | otherwise = sumaN ((n+1) `div` 2) + sumaSucFractal3 (n `div` 2)
  where sumaN n = (n*(n-1)) `div` 2
 
-- Comparación de eficiencia de definiciones de sumaSucFractal
-- ===========================================================
 
--    λ> sumaSucFractal1 (10^6)
--    166666169612
--    (5.25 secs, 810,622,504 bytes)
--    λ> sumaSucFractal2 (10^6)
--    166666169612
--    (1.72 secs, 286,444,048 bytes)
--    λ> sumaSucFractal3 (10^6)
--    166666169612
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    
--    λ> sumaSucFractal2 (10^7)
--    16666661685034
--    (17.49 secs, 3,021,580,920 bytes)
--    λ> sumaSucFractal3 (10^7)
--    16666661685034
--    (0.01 secs, 0 bytes)

Camino de máxima suma en una matriz

Los caminos desde el extremo superior izquierdo (posición (1,1)) hasta el extremo inferior derecho (posición (3,4)) en la matriz

   (  1  6 11  2 )
   (  7 12  3  8 )
   (  3  8  4  9 )

moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha, son los siguientes:

   1, 7,  3, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 12, 8, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 3, 4, 9
   1, 6, 11, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 2, 8, 9

Las sumas de los caminos son 32, 41, 36, 40, 40, 35, 39, 34, 38 y 37, respectivamente. El camino de máxima suma es el segundo (1, 7, 12, 8, 4, 9) que tiene una suma de 41.

Definir la función

   caminoMaxSuma :: Matrix Int -> [Int]

tal que (caminoMaxSuma m) es un camino de máxima suma en la matriz m desde el extremo superior izquierdo hasta el extremo inferior derecho, moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha. Por ejemplo,

   λ> caminoMaxSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])
   [1,7,12,8,4,9]
   λ> sum (caminoMaxSuma (fromList 800 800 [1..]))
   766721999

Nota: Se recomienda usar programación dinámica.

Soluciones

import Data.Matrix
 
-- 1ª definición
-- =============
 
caminoMaxSuma1 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma1 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos1 m
        k  = maximum (map sum cs)
 
caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos1 m =
  map reverse (caminos1Aux m (nf,nc))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
 
-- (caminos1Aux p x) es la lista de los caminos invertidos en la matriz p
-- desde la posición (1,1) hasta la posición x. Por ejemplo,
caminos1Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> [[Int]]
caminos1Aux m (1,1) = [[m!(1,1)]]
caminos1Aux m (1,j) = [[m!(1,k) | k <- [j,j-1..1]]]
caminos1Aux m (i,1) = [[m!(k,1) | k <- [i,i-1..1]]]
caminos1Aux m (i,j) = [m!(i,j) : xs
                      | xs <- caminos1Aux m (i,j-1) ++
                              caminos1Aux m (i-1,j)]
 
-- 2ª definición
-- =============
 
caminoMaxSuma2 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma2 m =
  head [c | c <- cs, sum c == k] 
  where cs = caminos2 m
        k  = maximum (map sum cs)
 
caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos2 m =
  map reverse (matrizCaminos m ! (nrows m, ncols m))
 
matrizCaminos :: Matrix Int -> Matrix [[Int]]
matrizCaminos m = q
  where
    q = matrix (nrows m) (ncols m) f
    f (1,y) = [[m!(1,z) | z <- [y,y-1..1]]]
    f (x,1) = [[m!(z,1) | z <- [x,x-1..1]]]
    f (x,y) = [m!(x,y) : cs | cs <- q!(x-1,y) ++ q!(x,y-1)]  
 
-- 3ª definición (con programación dinámica)
-- =========================================
 
caminoMaxSuma3 :: Matrix Int -> [Int]
caminoMaxSuma3 m = reverse (snd (q ! (nf,nc)))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = caminoMaxSumaAux m
 
caminoMaxSumaAux :: Matrix Int -> Matrix (Int,[Int])
caminoMaxSumaAux m = q 
  where
    nf = nrows m
    nc = ncols m
    q  = matrix nf nc f
      where
        f (1,1) = (m!(1,1),[m!(1,1)])
        f (1,j) = (k + m!(1,j), m!(1,j):xs)
          where (k,xs) = q!(1,j-1)
        f (i,1) = (k + m!(i,1), m!(i,1):xs)
          where (k,xs) = q!(i-1,1)        
        f (i,j) | k1 > k2   = (k1 + m!(i,j), m!(i,j):xs)
                | otherwise = (k2 + m!(i,j), m!(i,j):ys)
          where (k1,xs) = q!(i,j-1)
                (k2,ys) = q!(i-1,j)
 
-- Comparación de eficiencia
-- -------------------------
 
--    λ> length (caminoMaxSuma1 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (10.00 secs, 1,510,120,328 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma2 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (3.84 secs, 745,918,544 bytes)
--    λ> length (caminoMaxSuma3 (fromList 11 11 [1..]))
--    21
--    (0.01 secs, 0 bytes)

Máximo de las sumas de los caminos en una matriz

Los caminos desde el extremo superior izquierdo (posición (1,1)) hasta el extremo inferior derecho (posición (3,4)) en la matriz

   (  1  6 11  2 )
   (  7 12  3  8 )
   (  3  8  4  9 )

moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha, son los siguientes:

   1, 7,  3, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 12, 8, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 3, 4, 9
   1, 6, 11, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 2, 8, 9

Las sumas de los caminos son 32, 41, 36, 40, 40, 35, 39, 34, 38 y 37, respectivamente. El máximo de las suma de los caminos es 41.

Definir la función

   maximaSuma :: Matrix Int -> Int

tal que (maximaSuma m) es el máximo de las sumas de los caminos en la matriz m desde el extremo superior izquierdo hasta el extremo inferior derecho, moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha. Por ejemplo,

   λ> maximaSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])
   41
   λ> maximaSuma (fromList 800 800 [1..])
   766721999

Nota: Se recomienda usar programación dinámica.

Soluciones

import Data.Matrix
 
-- 1ª definición
-- =============
 
maximaSuma1 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma1 =
  maximum . map sum . caminos1
 
caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos1 m =
  map reverse (caminos1Aux m (nf,nc))
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
 
-- (caminos1Aux p x) es la lista de los caminos invertidos en la matriz p
-- desde la posición (1,1) hasta la posición x. Por ejemplo,
caminos1Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> [[Int]]
caminos1Aux m (1,1) = [[m!(1,1)]]
caminos1Aux m (1,j) = [[m!(1,k) | k <- [j,j-1..1]]]
caminos1Aux m (i,1) = [[m!(k,1) | k <- [i,i-1..1]]]
caminos1Aux m (i,j) = [m!(i,j) : xs
                      | xs <- caminos1Aux m (i,j-1) ++
                              caminos1Aux m (i-1,j)]
 
-- 2ª definición
-- =============
 
maximaSuma2 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma2 =
  maximum . map sum . caminos2
 
caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos2 m =
  map reverse (matrizCaminos m ! (nrows m, ncols m))
 
matrizCaminos :: Matrix Int -> Matrix [[Int]]
matrizCaminos m = q
  where
    q = matrix (nrows m) (ncols m) f
    f (1,y) = [[m!(1,z) | z <- [y,y-1..1]]]
    f (x,1) = [[m!(z,1) | z <- [x,x-1..1]]]
    f (x,y) = [m!(x,y) : cs | cs <- q!(x-1,y) ++ q!(x,y-1)]  
 
-- 3ª definicion (por recursión, sin calcular el camino)
-- =====================================================
 
maximaSuma3 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma3 m = maximaSuma3Aux m (nf,nc)
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
 
-- (maximaSuma3Aux m p) calcula la suma máxima de un camino hasta la
-- posición p. Por ejemplo,
--    λ> maximaSuma3Aux (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) (3,4)
--    41
--    λ> maximaSuma3Aux (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) (3,3)
--    32
--    λ> maximaSuma3Aux (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) (2,4)
--    31
maximaSuma3Aux :: Matrix Int -> (Int,Int) -> Int
maximaSuma3Aux m (1,1) = m ! (1,1)
maximaSuma3Aux m (1,j) = maximaSuma3Aux m (1,j-1) + m ! (1,j)
maximaSuma3Aux m (i,1) = maximaSuma3Aux m (i-1,1) + m ! (i,1)
maximaSuma3Aux m (i,j) =
  max (maximaSuma3Aux m (i,j-1)) (maximaSuma3Aux m (i-1,j)) + m ! (i,j)
 
-- 4ª solución (mediante programación dinámica)
-- ============================================
 
maximaSuma4 :: Matrix Int -> Int
maximaSuma4 m = q ! (nf,nc)
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = matrizMaximaSuma m
 
-- (matrizMaximaSuma m) es la matriz donde en cada posición p se
-- encuentra el máxima de las sumas de los caminos desde (1,1) a p en la
-- matriz m. Por ejemplo,   
--    λ> matrizMaximaSuma (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]]) 
--    (  1  7 18 20 )
--    (  8 20 23 31 )
--    ( 11 28 32 41 )
matrizMaximaSuma :: Matrix Int -> Matrix Int
matrizMaximaSuma m = q 
  where nf = nrows m
        nc = ncols m
        q  = matrix nf nc f
          where  f (1,1) = m ! (1,1)
                 f (1,j) = q ! (1,j-1) + m ! (1,j)
                 f (i,1) = q ! (i-1,1) + m ! (i,1)
                 f (i,j) = max (q ! (i,j-1)) (q ! (i-1,j)) + m ! (i,j)
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> maximaSuma1 (fromList 8 8 [1..])
--    659
--    (0.11 secs, 31,853,136 bytes)
--    λ> maximaSuma1a (fromList 8 8 [1..])
--    659
--    (0.09 secs, 19,952,640 bytes)
-- 
--    λ> maximaSuma1 (fromList 10 10 [1..])
--    1324
--    (2.25 secs, 349,722,744 bytes)
--    λ> maximaSuma2 (fromList 10 10 [1..])
--    1324
--    (0.76 secs, 151,019,296 bytes)
--    
--    λ> maximaSuma2 (fromList 11 11 [1..])
--    1781
--    (3.02 secs, 545,659,632 bytes)
--    λ> maximaSuma3 (fromList 11 11 [1..])
--    1781
--    (1.57 secs, 210,124,912 bytes)
--    
--    λ> maximaSuma3 (fromList 12 12 [1..])
--    2333
--    (5.60 secs, 810,739,032 bytes)
--    λ> maximaSuma4 (fromList 12 12 [1..])
--    2333
--    (0.01 secs, 23,154,776 bytes)

Caminos en una matriz

Los caminos desde el extremo superior izquierdo (posición (1,1)) hasta el extremo inferior derecho (posición (3,4)) en la matriz

   (  1  6 11  2 )
   (  7 12  3  8 )
   (  3  8  4  9 )

moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha, son los siguientes:

   1, 7,  3, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 8, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 4, 9
   1, 7, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 12, 8, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 4, 9
   1, 6, 12, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 3, 4, 9
   1, 6, 11, 3, 8, 9
   1, 6, 11, 2, 8, 9

Definir la función

   caminos :: Matrix Int -> [[Int]]

tal que (caminos m) es la lista de los caminos en la matriz m desde el extremo superior izquierdo hasta el extremo inferior derecho, moviéndose en cada paso una casilla hacia abajo o hacia la derecha. Por ejemplo,

   λ> caminos (fromLists [[1,6,11,2],[7,12,3,8],[3,8,4,9]])
   [[1,7, 3,8,4,9],
    [1,7,12,8,4,9],
    [1,7,12,3,4,9],
    [1,7,12,3,8,9],
    [1,6,12,8,4,9],
    [1,6,12,3,4,9],
    [1,6,12,3,8,9],
    [1,6,11,3,4,9],
    [1,6,11,3,8,9],
    [1,6,11,2,8,9]]
   λ> length (caminos (fromList 12 13 [1..]))
   1352078

Nota: Se recomienda usar programación dinámica.

Soluciones

import Data.Matrix
 
-- 1ª definición de caminos (por recursión)
-- ----------------------------------------
 
caminos1 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos1 a = aux (1,1)
  where
    aux (i,j)
      | i == m           = [[a!(i,k) | k <- [j..n]]]
      | j == n           = [[a!(k,j) | k <- [i..m]]]
      | otherwise        = [a!(i,j) : cs | cs <- aux (i+1,j) ++ aux (i,j+1)]
      where m = nrows a
            n = ncols a
 
-- 2ª solución (mediante programación dinámica)
-- --------------------------------------------
 
caminos2 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos2 a = q ! (1,1)
  where
    q = matrix m n f
    m = nrows a
    n = ncols a
    f (i,j) | i == m    = [[a!(i,k) | k <- [j..n]]]
            | j == n    = [[a!(k,j) | k <- [i..m]]]
            | otherwise = [a!(i,j) : cs | cs <- q!(i+1,j) ++ q!(i,j+1)]  
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
caminos3 :: Matrix Int -> [[Int]]
caminos3 a
  | m == 1 || n == 1 = [toList a]
  | otherwise = map (a ! (1,1):) (caminos3 (submatrix 2 m 1 n a) ++
                                  caminos3 (submatrix 1 m 2 n a)) 
  where m = nrows a
        n = ncols a
 
-- Comparación de eficiencia
-- -------------------------
 
--    λ> length (caminos1 (fromList 11 11 [1..]))
--    184756
--    (4.15 secs, 738,764,712 bytes)
--    λ> length (caminos2 (fromList 11 11 [1..]))
--    184756
--    (0.74 secs, 115,904,952 bytes)
--    λ> length (caminos3 (fromList 11 11 [1..]))
--    184756
--    (2.22 secs, 614,472,136 bytes)

Máxima longitud de sublistas crecientes

Definir la función

   longitudMayorSublistaCreciente :: Ord a => [a] -> Int

tal que (longitudMayorSublistaCreciente xs) es la el máximo de las longitudes de las sublistas crecientes de xs. Por ejemplo,

   λ> longitudMayorSublistaCreciente [3,2,6,4,5,1]
   3
   λ> longitudMayorSublistaCreciente [10,22,9,33,21,50,41,60,80]
   6
   λ> longitudMayorSublistaCreciente [0,8,4,12,2,10,6,14,1,9,5,13,3,11,7,15]
   6
   λ> longitudMayorSublistaCreciente [1..2000]
   2000
   λ> longitudMayorSublistaCreciente [2000,1999..1]
   1
   λ> import System.Random
   λ> xs <- sequence [randomRIO (0,10^6) | _ <- [1..10^3]]
   λ> longitudMayorSublistaCreciente2 xs
   61
   λ> longitudMayorSublistaCreciente3 xs
   61

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

Soluciones

import Data.List (nub, sort)
import Data.Array (Array, (!), array, elems, listArray)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
longitudMayorSublistaCreciente1 :: Ord a => [a] -> Int
longitudMayorSublistaCreciente1 =
  length . head . mayoresCrecientes
 
-- (mayoresCrecientes xs) es la lista de las sublistas crecientes de xs
-- de mayor longitud. Por ejemplo, 
--    λ> mayoresCrecientes [3,2,6,4,5,1]
--    [[3,4,5],[2,4,5]]
--    λ> mayoresCrecientes [3,2,3,2,3,1]
--    [[2,3],[2,3],[2,3]]
--    λ> mayoresCrecientes [10,22,9,33,21,50,41,60,80]
--    [[10,22,33,50,60,80],[10,22,33,41,60,80]]
--    λ> mayoresCrecientes [0,8,4,12,2,10,6,14,1,9,5,13,3,11,7,15]
--    [[0,4,6,9,13,15],[0,2,6,9,13,15],[0,4,6,9,11,15],[0,2,6,9,11,15]]
mayoresCrecientes :: Ord a => [a] -> [[a]]
mayoresCrecientes xs =
  [ys | ys <- xss
      , length ys == m]
  where xss = sublistasCrecientes xs
        m   = maximum (map length xss)
 
-- (sublistasCrecientes xs) es la lista de las sublistas crecientes de
-- xs. Por ejemplo,
--    λ> sublistasCrecientes [3,2,5]
--    [[3,5],[3],[2,5],[2],[5],[]]
sublistasCrecientes :: Ord a => [a] -> [[a]]
sublistasCrecientes []  = [[]]
sublistasCrecientes (x:xs) =
  [x:ys | ys <- yss, null ys || x < head ys] ++ yss
  where yss = sublistasCrecientes xs
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
longitudMayorSublistaCreciente2 :: Ord a => [a] -> Int
longitudMayorSublistaCreciente2 xs =
  longitudSCM xs (sort (nub xs))
 
-- (longitudSCM xs ys) es la longitud de la subsecuencia máxima de xs e
-- ys. Por ejemplo, 
--   longitudSCM "amapola" "matamoscas" == 4
--   longitudSCM "atamos" "matamoscas"  == 6
--   longitudSCM "aaa" "bbbb"           == 0
longitudSCM :: Eq a => [a] -> [a] -> Int
longitudSCM xs ys = (matrizLongitudSCM xs ys) ! (n,m)
  where n = length xs
        m = length ys
 
-- (matrizLongitudSCM xs ys) es la matriz de orden (n+1)x(m+1) (donde n
-- y m son los números de elementos de xs e ys, respectivamente) tal que
-- el valor en la posición (i,j) es la longitud de la SCM de los i
-- primeros elementos de xs y los j primeros elementos de ys. Por ejemplo,
--    λ> elems (matrizLongitudSCM "amapola" "matamoscas")
--    [0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,
--     0,1,2,2,2,2,2,2,2,3,3,0,1,2,2,2,2,2,2,2,3,3,0,1,2,2,2,2,3,3,3,3,3,
--     0,1,2,2,2,2,3,3,3,3,3,0,1,2,2,3,3,3,3,3,4,4]
-- Gráficamente,
--       m a t a m o s c a s
--    [0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
-- a   0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,
-- m   0,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,
-- a   0,1,2,2,2,2,2,2,2,3,3,
-- p   0,1,2,2,2,2,2,2,2,3,3,
-- o   0,1,2,2,2,2,3,3,3,3,3,
-- l   0,1,2,2,2,2,3,3,3,3,3,
-- a   0,1,2,2,3,3,3,3,3,4,4]
matrizLongitudSCM :: Eq a => [a] -> [a] -> Array (Int,Int) Int
matrizLongitudSCM xs ys = q
  where
    n = length xs
    m = length ys
    v = listArray (1,n) xs
    w = listArray (1,m) ys
    q = array ((0,0),(n,m)) [((i,j), f i j) | i <- [0..n], j <- [0..m]]
      where f 0 _ = 0
            f _ 0 = 0
            f i j | v ! i == w ! j = 1 + q ! (i-1,j-1)
                  | otherwise      = max (q ! (i-1,j)) (q ! (i,j-1))
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
longitudMayorSublistaCreciente3 :: Ord a => [a] -> Int
longitudMayorSublistaCreciente3 xs =
  maximum (elems (vectorlongitudMayorSublistaCreciente xs))
 
-- (vectorlongitudMayorSublistaCreciente xs) es el vector de longitud n
-- (donde n es el tamaño de xs) tal que el valor i-ésimo es la longitud
-- de la sucesión más larga que termina en el elemento i-ésimo de
-- xs. Por ejemplo,  
--    λ> vectorlongitudMayorSublistaCreciente [3,2,6,4,5,1]
--    array (1,6) [(1,1),(2,1),(3,2),(4,2),(5,3),(6,1)]
vectorlongitudMayorSublistaCreciente :: Ord a => [a] -> Array Int Int
vectorlongitudMayorSublistaCreciente xs = v
  where v = array (1,n) [(i,f i) | i <- [1..n]]
        n = length xs
        w = listArray (1,n) xs
        f 1 = 1
        f i | null ls   = 1
            | otherwise = 1 + maximum ls
          where ls = [v ! j | j <-[1..i-1], w ! j < w ! i]
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente1 [1..20]
--    20
--    (4.60 secs, 597,014,240 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente2 [1..20]
--    20
--    (0.03 secs, 361,384 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente3 [1..20]
--    20
--    (0.03 secs, 253,944 bytes)
--    
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente2 [1..2000]
--    2000
--    (8.00 secs, 1,796,495,488 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente3 [1..2000]
--    2000
--    (5.12 secs, 1,137,667,496 bytes)
--    
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente1 [1000,999..1]
--    1
--    (0.95 secs, 97,029,328 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente2 [1000,999..1]
--    1
--    (7.48 secs, 1,540,857,208 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente3 [1000,999..1]
--    1
--    (0.86 secs, 160,859,128 bytes)
--    
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente1 (show (2^300))
--    10
--    (7.90 secs, 887,495,368 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente2 (show (2^300))
--    10
--    (0.04 secs, 899,152 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente3 (show (2^300))
--    10
--    (0.04 secs, 1,907,936 bytes)
--    
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente2 (show (2^6000))
--    10
--    (0.06 secs, 9,950,592 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente3 (show (2^6000))
--    10
--    (3.46 secs, 686,929,744 bytes)
--    
--    λ> import System.Random
--    (0.00 secs, 0 bytes)
--    λ> xs <- sequence [randomRIO (0,10^6) | _ <- [1..10^3]]
--    (0.02 secs, 1,993,032 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente2 xs
--    61
--    (7.73 secs, 1,538,771,392 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente3 xs
--    61
--    (1.04 secs, 212,538,648 bytes)
--    λ> xs <- sequence [randomRIO (0,10^6) | _ <- [1..10^3]]
--    (0.03 secs, 1,993,032 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente2 xs
--    57
--    (7.56 secs, 1,538,573,680 bytes)
--    λ> longitudMayorSublistaCreciente3 xs
--    57
--    (1.05 secs, 212,293,984 bytes)

La sucesión de Sylvester

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

Definir las funciones

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

tales que

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

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

Soluciones

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

Conjuntos de primos emparejables

Un conjunto de primos emparejables es un conjunto S de números primos tales que al concatenar cualquier par de elementos de S se obtiene un número primo. Por ejemplo, {3, 7, 109, 673} es un conjunto de primos emparejables ya que sus elementos son primos y las concatenaciones de sus parejas son 37, 3109, 3673, 73, 7109, 7673, 1093, 1097, 109673, 6733, 6737 y 673109 son primos.

Definir la función

   emparejables :: Integer -> Integer -> [[Integer]]

tal que (emparejables n m) es el conjunto de los conjuntos emparejables de n elementos menores que n. Por ejemplo,

   take 5 (emparejables 2   10)  ==  [[3,7]]
   take 5 (emparejables 3   10)  ==  []
   take 5 (emparejables 2  100)  ==  [[3,7],[3,11],[3,17],[3,31],[3,37]]
   take 5 (emparejables 3  100)  ==  [[3,37,67],[7,19,97]]
   take 5 (emparejables 4  100)  ==  []
   take 5 (emparejables 4 1000)  ==  [[3,7,109,673],[23,311,677,827]]

Pandigitales primos

Un número con n dígitos es pandigital si contiene todos los dígitos del 1 a n exactamente una vez. Por ejemplo, 2143 es un pandigital con 4 dígitos y, además, es primo.

Definir la constante

   pandigitalesPrimos :: [Int]

tal que sus elementos son los números pandigitales, ordenados de mayor a menor. Por ejemplo,

   take 3 pandigitalesPrimos       ==  [7652413,7642513,7641253]
   2143 `elem` pandigitalesPrimos  ==  True
   length pandigitalesPrimos       ==  538

Soluciones

import Data.List (permutations, sort)
import Data.Char (intToDigit)
import Data.Numbers.Primes (isPrime, primes)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
pandigitalesPrimos :: [Int]
pandigitalesPrimos =
  concatMap nPandigitalesPrimos [9,8..1]
 
-- (nPandigitalesPrimos n) es la lista de los números pandigitales con n
-- dígitos, ordenada de mayor a menor. Por ejemplo,
--    nPandigitalesPrimos 4  ==  [4231,2341,2143,1423]
--    nPandigitalesPrimos 5  ==  []
nPandigitalesPrimos1 :: Int -> [Int]
nPandigitalesPrimos1 n = filter isPrime (pandigitales n)
 
-- Nota. La definición anterior se puede simplificar, ya que la suma de
-- los números de 1 a n es divisible por 3, entonces los números
-- pandigitales con n dígitos también lo son y, por tanto, no son primos.
nPandigitalesPrimos2 :: Int -> [Int]
nPandigitalesPrimos2 n 
  | sum [1..n] `mod` 3 == 0 = []
  | otherwise               = filter isPrime (pandigitales n)
 
-- Nota. La definición anterior se puede simplificar, ya que
--    ghci> [n | n <- [1..9], sum [1..n] `mod` 3 /= 0]
--    [1,4,7]
nPandigitalesPrimos :: Int -> [Int]
nPandigitalesPrimos n 
  | n `elem` [4,7] = filter isPrime (pandigitales n)
  | otherwise      = []
 
-- (pandigitales n) es la lista de los números pandigitales de n dígitos
-- ordenada de mayor a menor. Por ejemplo,
--    pandigitales 3  ==  [321,312,231,213,132,123]
pandigitales :: Int -> [Int]
pandigitales n = 
  reverse $ sort $ map digitosAentero (permutations [1..n])
 
-- (digitosAentero ns) es el número cuyos dígitos son ns. Por ejemplo,
--    digitosAentero [3,2,5]  ==  325
digitosAentero :: [Int] -> Int
digitosAentero = read . map intToDigit