Matrices

Diagonales invertidas

PorJosé A. Alonso 19-marzo-202026-marzo-2020

Definir la función

   diagonalesInvertidas :: Matrix a -> Matrix a

1	diagonalesInvertidas :: Matrix a -> Matrix a

tal que (diagonalesInvertidas q) es la matriz obtenida invirtiendo el orden de los elementos de la diagonal principal y de la diagonal secundaria de q. Por ejemplo,

   λ> fromList 5 5 [1..]
   ┌                ┐
   │  1  2  3  4  5 │
   │  6  7  8  9 10 │
   │ 11 12 13 14 15 │
   │ 16 17 18 19 20 │
   │ 21 22 23 24 25 │
   └                ┘
   λ> diagonalesInvertidas (fromList 5 5 [1..])
   ┌                ┐
   │ 25  2  3  4 21 │
   │  6 19  8 17 10 │
   │ 11 12 13 14 15 │
   │ 16  9 18  7 20 │
   │  5 22 23 24  1 │
   └                ┘
   λ> fromList 3 3 ['a','b'..]
   ┌             ┐
   │ 'a' 'b' 'c' │
   │ 'd' 'e' 'f' │
   │ 'g' 'h' 'i' │
   └             ┘
   λ> diagonalesInvertidas (fromList 3 3 ['a','b'..])
   ┌             ┐
   │ 'i' 'b' 'g' │
   │ 'd' 'e' 'f' │
   │ 'c' 'h' 'a' │
   └             ┘

λ> fromList 5 5 [1..]

┌ ┐

│ 1 2 3 4 5 │

│ 6 7 8 9 10 │

│ 11 12 13 14 15 │

│ 16 17 18 19 20 │

│ 21 22 23 24 25 │

└ ┘

λ> diagonalesInvertidas (fromList 5 5 [1..])

┌ ┐

│ 25 2 3 4 21 │

│ 6 19 8 17 10 │

│ 11 12 13 14 15 │

│ 16 9 18 7 20 │

│ 5 22 23 24 1 │

└ ┘

λ> fromList 3 3 ['a','b'..]

┌ ┐

│ 'a' 'b' 'c' │

│ 'd' 'e' 'f' │

│ 'g' 'h' 'i' │

└ ┘

λ> diagonalesInvertidas (fromList 3 3 ['a','b'..])

┌ ┐

│ 'i' 'b' 'g' │

│ 'd' 'e' 'f' │

│ 'c' 'h' 'a' │

└ ┘

import Data.Matrix

diagonalesInvertidas :: Matrix a -> Matrix a
diagonalesInvertidas q = matrix n n f
  where n = nrows q
        f (i,j) | i == j     = q ! (n + 1 - i, n + 1 - i)
                | i+j == n+1 = q ! (j,i)
                | otherwise  = q ! (i,j)

import Data.Matrix

diagonalesInvertidas :: Matrix a -> Matrix a

diagonalesInvertidas q = matrix n n f

where n = nrows q

f (i,j) | i == j = q ! (n + 1 - i, n + 1 - i)

| i+j == n+1 = q ! (j,i)

| otherwise = q ! (i,j)

Otras soluciones

Se pueden escribir otras soluciones en los comentarios.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang="haskell"> y otra con </pre>

Soluciones

Pensamiento

«No estamos muy contentos cuando nos vemos obligados a aceptar una verdad matemática en virtud de una complicada cadena de conclusiones formales y cálculos, que atravesamos a ciegas, eslabón por eslabón, sintiendo nuestro camino por el tacto. Queremos primero una visión general del objetivo y del camino; queremos entender la idea de la prueba, el contexto más profundo.»

Hermann Weyl.

Producto de Kronecker

PorJosé A. Alonso 28-febrero-20207-marzo-2020

Si $A$ es una matriz $m \times n$ y $B$ es una matriz $p \times q$ , entonces el producto de Kronecker $A \otimes B$ es la matriz bloque $mp \times nq$

Más explícitamente, tenemos

Por ejemplo,

Definir la función

   kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

1	kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

tal que (kronecker a b) es el producto de Kronecker de las matrices a y b. Por ejemplo,

   λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,1]]) (fromLists [[0,3],[2,1]])
   ┌         ┐
   │ 0 3 0 6 │
   │ 2 1 4 2 │
   │ 0 9 0 3 │
   │ 6 3 2 1 │
   └         ┘
   λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,4]]) (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]])
   ┌             ┐
   │  2  1  4  2 │
   │ -1  0 -2  0 │
   │  3  2  6  4 │
   │  6  3  8  4 │
   │ -3  0 -4  0 │
   │  9  6 12  8 │
   └             ┘
   λ> kronecker (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]]) (fromLists [[1,2],[3,4]])
   ┌             ┐
   │  2  4  1  2 │
   │  6  8  3  4 │
   │ -1 -2  0  0 │
   │ -3 -4  0  0 │
   │  3  6  2  4 │
   │  9 12  6  8 │
   └             ┘

λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,1]]) (fromLists [[0,3],[2,1]])

┌ ┐

│ 0 3 0 6 │

│ 2 1 4 2 │

│ 0 9 0 3 │

│ 6 3 2 1 │

└ ┘

λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,4]]) (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]])

┌ ┐

│ 2 1 4 2 │

│ -1 0 -2 0 │

│ 3 2 6 4 │

│ 6 3 8 4 │

│ -3 0 -4 0 │

│ 9 6 12 8 │

└ ┘

λ> kronecker (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]]) (fromLists [[1,2],[3,4]])

┌ ┐

│ 2 4 1 2 │

│ 6 8 3 4 │

│ -1 -2 0 0 │

│ -3 -4 0 0 │

│ 3 6 2 4 │

│ 9 12 6 8 │

└ ┘

Soluciones

import Data.Matrix

-- 1ª solución
-- ===========

kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t
kronecker a b =
  matrix (m*p) (n*q) f
  where m = nrows a
        n = ncols a
        p = nrows b
        q = ncols b
        f (i,j) = a !(k+1,r+1) * b!(l+1,s+1)
          where (k,l) = quotRem (i-1) p
                (r,s) = quotRem (j-1) q

-- 2ª solución
-- ===========

kronecker2 a b = bloqueFila a b (ncols a)
  where
    bloque (i,j) a b = scaleMatrix (a!(i,j)) b
    bloqueFila a b 1 = bloqueColumna 1 a b
    bloqueFila a b n = bloqueFila a b (n-1) <|> bloqueColumna n a b
    bloqueColumna j a b = aux a b (nrows a)
      where aux a b 1 = bloque (1,j) a b
            aux a b n = aux a b (n-1) <-> bloque (n,j) a b

-- 3ª solución
-- ===========

kronecker3 :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t
kronecker3 a b =
  foldl1 (<->) [foldl1 (<|>) [scaleMatrix (a!(i,j)) b
                             | j <- [1..ncols b]]
                             | i <- [1..nrows a]]

import Data.Matrix

-- 1ª solución

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

kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

kronecker a b =

matrix (m*p) (n*q) f

where m = nrows a

n = ncols a

p = nrows b

q = ncols b

f (i,j) = a !(k+1,r+1) * b!(l+1,s+1)

where (k,l) = quotRem (i-1) p

(r,s) = quotRem (j-1) q

-- 2ª solución

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

kronecker2 a b = bloqueFila a b (ncols a)

where

bloque (i,j) a b = scaleMatrix (a!(i,j)) b

bloqueFila a b 1 = bloqueColumna 1 a b

bloqueFila a b n = bloqueFila a b (n-1) <|> bloqueColumna n a b

bloqueColumna j a b = aux a b (nrows a)

where aux a b 1 = bloque (1,j) a b

aux a b n = aux a b (n-1) <-> bloque (n,j) a b

-- 3ª solución

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

kronecker3 :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

kronecker3 a b =

foldl1 (<->) [foldl1 (<|>) [scaleMatrix (a!(i,j)) b

| j <- [1..ncols b]]

| i <- [1..nrows a]]

Otras soluciones

Se pueden escribir otras soluciones en los comentarios.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

Pensamiento

«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.

Matriz dodecafónica

PorJosé A. Alonso 10-abril-201925-abril-2019

Como se explica en Create a Twelve-Tone Melody With a Twelve-Tone Matrix una matriz dodecafónica es una matriz de 12 filas y 12 columnas construidas siguiendo los siguientes pasos:

Se escribe en la primera fila una permutación de los números del 1 al 12. Por ejemplo,

     (  3  1  9  5  4  6  8  7 12 10 11  2 )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )
     (                                     )

( 3 1 9 5 4 6 8 7 12 10 11 2 )

( )

Escribir la primera columna de forma que, para todo i (entre 2 y 12), a(i,1) es el número entre 1 y 12 que verifica la siguiente condición

     (a(1,1) - a(i,1)) = (a(1,i) - a(1,1)) (módulo 12)

1	(a(1,1) - a(i,1)) = (a(1,i) - a(1,1)) (módulo 12)

Siguiendo con el ejemplo anterior, la matriz con la 1ª fila y la 1ª columna es

     (  3  1  9  5  4  6  8  7 12 10 11  2 )
     (  5                                  )
     (  9                                  )
     (  1                                  )
     (  2                                  )
     ( 12                                  )
     ( 10                                  )
     ( 11                                  )
     (  6                                  )
     (  8                                  )
     (  7                                  )
     (  4                                  )

( 3 1 9 5 4 6 8 7 12 10 11 2 )

( 5 )

( 9 )

( 1 )

( 2 )

( 12 )

( 10 )

( 11 )

( 6 )

( 8 )

( 7 )

( 4 )

Escribir la segunda fila de forma que, para todo j (entre 2 y 12), a(j,2) es el número entre 1 y 12 que verifica la siguiente condición

     (a(2,j) - a(1,j)) = (a(2,1) - a(1,1)) (módulo 12)

1	(a(2,j) - a(1,j)) = (a(2,1) - a(1,1)) (módulo 12)

Siguiendo con el ejemplo anterior, la matriz con la 1ª fila, 1ª columna y 2ª fila es

     (  3  1  9  5  4  6  8  7 12 10 11  2 )
     (  5  3 11  7  6  8 10  9  2 12  1  4 )
     (  9                                  )
     (  1                                  )
     (  2                                  )
     ( 12                                  )
     ( 10                                  )
     ( 11                                  )
     (  6                                  )
     (  8                                  )
     (  7                                  )
     (  4                                  )

( 3 1 9 5 4 6 8 7 12 10 11 2 )

( 5 3 11 7 6 8 10 9 2 12 1 4 )

( 9 )

( 1 )

( 2 )

( 12 )

( 10 )

( 11 )

( 6 )

( 8 )

( 7 )

( 4 )

Las restantes filas se completan como la 2ª; es decir, para todo i (entre 3 y 12) y todo j (entre 2 y 12), a(i,j) es el número entre 1 y 12 que verifica la siguiente relación.

     (a(i,j) - a(1,j)) = (a(i,1) - a(1,1)) (módulo 12)

1	(a(i,j) - a(1,j)) = (a(i,1) - a(1,1)) (módulo 12)

Siguiendo con el ejemplo anterior, la matriz dodecafónica es

     (  3  1  9  5  4  6  8  7 12 10 11  2 )
     (  5  3 11  7  6  8 10  9  2 12  1  4 )
     (  9  7  3 11 10 12  2  1  6  4  5  8 )
     (  1 11  7  3  2  4  6  5 10  8  9 12 )
     (  2 12  8  4  3  5  7  6 11  9 10  1 )
     ( 12 10  6  2  1  3  5  4  9  7  8 11 )
     ( 10  8  4 12 11  1  3  2  7  5  6  9 )
     ( 11  9  5  1 12  2  4  3  8  6  7 10 )
     (  6  4 12  8  7  9 11 10  3  1  2  5 )
     (  8  6  2 10  9 11  1 12  5  3  4  7 )
     (  7  5  1  9  8 10 12 11  4  2  3  6 )
     (  4  2 10  6  5  7  9  8  1 11 12  3 )

( 3 1 9 5 4 6 8 7 12 10 11 2 )

( 5 3 11 7 6 8 10 9 2 12 1 4 )

( 9 7 3 11 10 12 2 1 6 4 5 8 )

( 1 11 7 3 2 4 6 5 10 8 9 12 )

( 2 12 8 4 3 5 7 6 11 9 10 1 )

( 12 10 6 2 1 3 5 4 9 7 8 11 )

( 10 8 4 12 11 1 3 2 7 5 6 9 )

( 11 9 5 1 12 2 4 3 8 6 7 10 )

( 6 4 12 8 7 9 11 10 3 1 2 5 )

( 8 6 2 10 9 11 1 12 5 3 4 7 )

( 7 5 1 9 8 10 12 11 4 2 3 6 )

( 4 2 10 6 5 7 9 8 1 11 12 3 )

Definir la función

   matrizDodecafonica :: [Int] -> Matrix Int

1	matrizDodecafonica :: [Int] -> Matrix Int

tal que (matrizDodecafonica xs) es la matriz dodecafónica cuya primera fila es xs (que se supone que es una permutación de los números del 1 al 12). Por ejemplo,

   λ> matrizDodecafonica [3,1,9,5,4,6,8,7,12,10,11,2]
   (  3  1  9  5  4  6  8  7 12 10 11  2 )
   (  5  3 11  7  6  8 10  9  2 12  1  4 )
   (  9  7  3 11 10 12  2  1  6  4  5  8 )
   (  1 11  7  3  2  4  6  5 10  8  9 12 )
   (  2 12  8  4  3  5  7  6 11  9 10  1 )
   ( 12 10  6  2  1  3  5  4  9  7  8 11 )
   ( 10  8  4 12 11  1  3  2  7  5  6  9 )
   ( 11  9  5  1 12  2  4  3  8  6  7 10 )
   (  6  4 12  8  7  9 11 10  3  1  2  5 )
   (  8  6  2 10  9 11  1 12  5  3  4  7 )
   (  7  5  1  9  8 10 12 11  4  2  3  6 )
   (  4  2 10  6  5  7  9  8  1 11 12  3 )

λ> matrizDodecafonica [3,1,9,5,4,6,8,7,12,10,11,2]

( 3 1 9 5 4 6 8 7 12 10 11 2 )

( 5 3 11 7 6 8 10 9 2 12 1 4 )

( 9 7 3 11 10 12 2 1 6 4 5 8 )

( 1 11 7 3 2 4 6 5 10 8 9 12 )

( 2 12 8 4 3 5 7 6 11 9 10 1 )

( 12 10 6 2 1 3 5 4 9 7 8 11 )

( 10 8 4 12 11 1 3 2 7 5 6 9 )

( 11 9 5 1 12 2 4 3 8 6 7 10 )

( 6 4 12 8 7 9 11 10 3 1 2 5 )

( 8 6 2 10 9 11 1 12 5 3 4 7 )

( 7 5 1 9 8 10 12 11 4 2 3 6 )

( 4 2 10 6 5 7 9 8 1 11 12 3 )

Comprobar con QuickCheck para toda matriz dodecafónica D se verifican las siguientes propiedades:

todas las filas de D son permutaciones de los números 1 a 12,
todos los elementos de la diagonal de D son iguales y
la suma de todos los elementos de D es 936.

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Francisco J. Hidalgo.

Soluciones

import Data.List
import Test.QuickCheck
import Data.Matrix

-- 1ª solución
-- ===========

matrizDodecafonica :: [Int] -> Matrix Int
matrizDodecafonica xs = matrix 12 12 f
  where f (1,j) = xs !! (j-1)
        f (i,1) = modulo12 (2 * f (1,1) - f (1,i)) 
        f (i,j) = modulo12 (f (1,j) + f (i,1) - f (1,1)) 
        modulo12 0  = 12
        modulo12 12 = 12
        modulo12 x  = x `mod` 12
  
-- 2ª solución
-- ===========

matrizDodecafonica2 :: [Int] -> Matrix Int
matrizDodecafonica2 xs = fromLists (secuencias xs)

secuencias :: [Int] -> [[Int]]
secuencias xs = [secuencia a xs | a <- inversa xs]

inversa :: [Int] -> [Int]
inversa xs = map conv (map (\x -> (-x) + 2* (abs a)) xs)
  where a = head xs
        
secuencia :: Int -> [Int] -> [Int]
secuencia n xs = [conv (a+(n-b)) | a <- xs] 
  where b = head xs

conv :: Int -> Int
conv n | n == 0 = 12
       | n < 0 = conv (n+12)
       | n > 11 = conv (mod n 12)
       | otherwise = n          

-- Propiedades
-- ===========

-- Las propiedades son
prop_dodecafonica :: Int -> Property
prop_dodecafonica n = 
  n >= 0 ==>
  all esPermutacion (toLists d)
  && all (== d!(1,1)) [d!(i,i) | i <- [2..12]]
  && sum d == 936
  where xss = permutations [1..12]
        k   = n `mod` product [1..12]
        d   = matrizDodecafonica (xss !! k)
        esPermutacion ys = sort ys == [1..12]

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

import Data.List

import Test.QuickCheck

import Data.Matrix

-- 1ª solución

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

matrizDodecafonica :: [Int] -> Matrix Int

matrizDodecafonica xs = matrix 12 12 f

where f (1,j) = xs !! (j-1)

f (i,1) = modulo12 (2 * f (1,1) - f (1,i))

f (i,j) = modulo12 (f (1,j) + f (i,1) - f (1,1))

modulo12 0 = 12

modulo12 12 = 12

modulo12 x = x `mod` 12

-- 2ª solución

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

matrizDodecafonica2 :: [Int] -> Matrix Int

matrizDodecafonica2 xs = fromLists (secuencias xs)

secuencias :: [Int] -> [[Int]]

secuencias xs = [secuencia a xs | a <- inversa xs]

inversa :: [Int] -> [Int]

inversa xs = map conv (map (\x -> (-x) + 2* (abs a)) xs)

where a = head xs

secuencia :: Int -> [Int] -> [Int]

secuencia n xs = [conv (a+(n-b)) | a <- xs]

where b = head xs

conv :: Int -> Int

conv n | n == 0 = 12

| n < 0 = conv (n+12)

| n > 11 = conv (mod n 12)

| otherwise = n

-- Propiedades

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

-- Las propiedades son

prop_dodecafonica :: Int -> Property

prop_dodecafonica n =

n >= 0 ==>

all esPermutacion (toLists d)

&& all (== d!(1,1)) [d!(i,i) | i <- [2..12]]

&& sum d == 936

where xss = permutations [1..12]

k = n `mod` product [1..12]

d = matrizDodecafonica (xss !! k)

esPermutacion ys = sort ys == [1..12]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_dodecafonica

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Como el olivar,
mucho fruto lleva,
poca sombra da.

Antonio Machado

Distribución de diferencias de dígitos consecutivos de pi

PorJosé A. Alonso 4-abril-201911-abril-2019

Usando la librería Data.Number.CReal, que se instala con

   cabal install number

1	cabal install number

se pueden calcular el número pi con la precisión que se desee. Por ejemplo,

   λ> import Data.Number.CReal
   λ> showCReal 60 pi
   "3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974945"

λ> import Data.Number.CReal

λ> showCReal 60 pi

"3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974945"

importa la librería y calcula el número pi con 60 decimales.

La distribución de las diferencias de los dígitos consecutivos para los 18 primeros n dígitos de pi se calcula como sigue: los primeros 18 dígitos de pi son

   3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3

1	3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3

Las diferencias de sus elementos consecutivos es

   2, -3, 3, -4, -4, 7, -4, 1, 2, -2, -3, -1, 2, -2, 6, 1, -1

1	2, -3, 3, -4, -4, 7, -4, 1, 2, -2, -3, -1, 2, -2, 6, 1, -1

y la distribución de sus frecuencias en el intervalo [-9,9] es

   0, 0, 0, 0, 0, 3, 2, 2, 2, 0, 2, 3, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0

1	0, 0, 0, 0, 0, 3, 2, 2, 2, 0, 2, 3, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0

es decir, el desde el -9 a -5 no aparecen, el -4 aparece 3 veces, el -2 aparece 2 veces y así sucesivamente.

Definir las funciones

   distribucionDDCpi :: Int -> [Int]
   graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

1 2	distribucionDDCpi :: Int -> [Int] graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

tales que

(distribucionDDCpi n) es la distribución de las diferencias de los dígitos consecutivos para los primeros n dígitos de pi. Por ejemplo,

     λ> distribucionDDCpi 18
     [0,0,0,0,0,3,2,2,2,0,2,3,1,0,0,1,1,0,0]
     λ> distribucionDDCpi 100
     [1,2,1,7,7,7,6,5,8,6,7,14,4,9,3,6,4,1,0]
     λ> distribucionDDCpi 200
     [3,6,2,13,14,12,11,12,15,17,15,19,11,17,8,13,9,2,0]
     λ> distribucionDDCpi 1000
     [16,25,23,44,57,61,55,75,92,98,80,88,64,65,42,54,39,14,8]
     λ> distribucionDDCpi 5000
     [67,99,130,196,245,314,361,391,453,468,447,407,377,304,242,221,134,97,47]

λ> distribucionDDCpi 18

[0,0,0,0,0,3,2,2,2,0,2,3,1,0,0,1,1,0,0]

λ> distribucionDDCpi 100

[1,2,1,7,7,7,6,5,8,6,7,14,4,9,3,6,4,1,0]

λ> distribucionDDCpi 200

[3,6,2,13,14,12,11,12,15,17,15,19,11,17,8,13,9,2,0]

λ> distribucionDDCpi 1000

[16,25,23,44,57,61,55,75,92,98,80,88,64,65,42,54,39,14,8]

λ> distribucionDDCpi 5000

[67,99,130,196,245,314,361,391,453,468,447,407,377,304,242,221,134,97,47]

(graficas ns f) dibuja en el fichero f las gráficas de las distribuciones de las diferencias de los dígitos consecutivos para los primeros n dígitos de pi, para n en ns. Por ejemplo, al evaluar (graficas [100,250..4000] «distribucionDDCpi.png» se escribe en el fichero «distribucionDDCpi.png» la siguiente gráfica

Soluciones

import Data.Number.CReal
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Data.Array

--    λ> digitosPi 18
--    [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3]
digitosPi :: Int -> [Int]
digitosPi n = init [read [c] | c <- (x:xs)]
  where (x:_:xs) = showCReal n pi

--    λ> diferenciasConsecutivos (digitosPi 18)
--    [2,-3,3,-4,-4,7,-4,1,2,-2,-3,-1,2,-2,6,1,-1]
diferenciasConsecutivos :: Num a => [a] -> [a]
diferenciasConsecutivos xs =
  zipWith (-) xs (tail xs)

distribucionDDCpi :: Int -> [Int]
distribucionDDCpi =
  distribucion . diferenciasConsecutivos . digitosPi
  where distribucion xs =
          elems (accumArray (+) 0 (-9,9) (zip xs (repeat 1)))

graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()
graficas ns f = 
  plotLists [Key Nothing, PNG f]
            [puntos n | n <- ns]
  where puntos :: Int -> [(Int,Int)]
        puntos n = zip [-9..9] (distribucionDDCpi n)

import Data.Number.CReal

import Graphics.Gnuplot.Simple

import Data.Array

-- λ> digitosPi 18

-- [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3]

digitosPi :: Int -> [Int]

digitosPi n = init [read [c] | c <- (x:xs)]

where (x:_:xs) = showCReal n pi

-- λ> diferenciasConsecutivos (digitosPi 18)

-- [2,-3,3,-4,-4,7,-4,1,2,-2,-3,-1,2,-2,6,1,-1]

diferenciasConsecutivos :: Num a => [a] -> [a]

diferenciasConsecutivos xs =

zipWith (-) xs (tail xs)

distribucionDDCpi :: Int -> [Int]

distribucionDDCpi =

distribucion . diferenciasConsecutivos . digitosPi

where distribucion xs =

elems (accumArray (+) 0 (-9,9) (zip xs (repeat 1)))

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

graficas ns f =

plotLists [Key Nothing, PNG f]

[puntos n | n <- ns]

where puntos :: Int -> [(Int,Int)]

puntos n = zip [-9..9] (distribucionDDCpi n)

Pensamiento

Doy consejo, a fuer de viejo:
nunca sigas mi consejo.

Antonio Machado

Cálculo de dígitos de pi y su distribución

PorJosé A. Alonso 3-abril-201925-abril-2021

Se pueden generar los dígitos de Pi, como se explica en el artículo Unbounded spigot algorithms for the digits of pi c0on la función digitosPi definida por

   digitosPi :: [Integer]
   digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where
     g (q,r,t,k,n,l) = 
       if 4*q+r-t < n*t
       then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)
       else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

digitosPi :: [Integer]

digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where

g (q,r,t,k,n,l) =

if 4*q+r-t < n*t

then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)

else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

Por ejemplo,

   λ> take 25 digitosPi
   [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3,8,4,6,2,6,4,3]

1 2	λ> take 25 digitosPi [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3,8,4,6,2,6,4,3]

La distribución de los primeros 25 dígitos de pi es [0,2,3,5,3,3,3,1,2,3] ya que el 0 no aparece, el 1 ocurre 2 veces, el 3 ocurre 3 veces, el 4 ocurre 5 veces, …

Usando digitosPi, definir las siguientes funciones

   distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
   frecuenciaDigitosPi   :: Int -> [Double]

1 2	distribucionDigitosPi :: Int -> [Int] frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]

tales que

(distribucionDigitosPi n) es la distribución de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

     λ> distribucionDigitosPi 10
     [0,2,1,2,1,2,1,0,0,1]
     λ> distribucionDigitosPi 100
     [8,8,12,12,10,8,9,8,12,13]
     λ> distribucionDigitosPi 1000
     [93,116,103,103,93,97,94,95,101,105]
     λ> distribucionDigitosPi 5000
     [466,531,496,460,508,525,513,488,492,521]

λ> distribucionDigitosPi 10

[0,2,1,2,1,2,1,0,0,1]

λ> distribucionDigitosPi 100

[8,8,12,12,10,8,9,8,12,13]

λ> distribucionDigitosPi 1000

[93,116,103,103,93,97,94,95,101,105]

λ> distribucionDigitosPi 5000

[466,531,496,460,508,525,513,488,492,521]

(frecuenciaDigitosPi n) es la frecuencia de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

   λ> frecuenciaDigitosPi 10
   [0.0,20.0,10.0,20.0,10.0,20.0,10.0,0.0,0.0,10.0]
   λ> frecuenciaDigitosPi 100
   [8.0,8.0,12.0,12.0,10.0,8.0,9.0,8.0,12.0,13.0]
   λ> frecuenciaDigitosPi 1000
   [9.3,11.6,10.3,10.3,9.3,9.7,9.4,9.5,10.1,10.5]
   λ> frecuenciaDigitosPi 5000
   [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

λ> frecuenciaDigitosPi 10

[0.0,20.0,10.0,20.0,10.0,20.0,10.0,0.0,0.0,10.0]

λ> frecuenciaDigitosPi 100

[8.0,8.0,12.0,12.0,10.0,8.0,9.0,8.0,12.0,13.0]

λ> frecuenciaDigitosPi 1000

[9.3,11.6,10.3,10.3,9.3,9.7,9.4,9.5,10.1,10.5]

λ> frecuenciaDigitosPi 5000

[9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

Soluciones

import Data.Array
import Data.List (group, sort)

digitosPi :: [Integer]
digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where
  g (q,r,t,k,n,l) = 
    if 4*q+r-t < n*t
    then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)
    else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

-- 1ª definición
-- =============

distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi n =
    elems (accumArray (+) 0 (0,9) [(i,1)
                                  | i <- take n digitosPi]) 

frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi n]
  where m = fromIntegral n

-- 2ª definición
-- =============

distribucionDigitosPi2 :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi2 n =
  [length xs - 1 | xs <- group (sort (take n digitosPi ++ [0..9]))]

frecuenciaDigitosPi2 :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi2 n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi2 n]
  where m = fromIntegral n

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

--    λ> last (take 5000 digitosPi)
--    2
--    (4.47 secs, 3,927,848,448 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi2 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.02 secs, 0 bytes)

import Data.Array

import Data.List (group, sort)

digitosPi :: [Integer]

digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where

g (q,r,t,k,n,l) =

if 4*q+r-t < n*t

then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)

else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

-- 1ª definición

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

distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]

distribucionDigitosPi n =

elems (accumArray (+) 0 (0,9) [(i,1)

| i <- take n digitosPi])

frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]

frecuenciaDigitosPi n =

[100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi n]

where m = fromIntegral n

-- 2ª definición

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

distribucionDigitosPi2 :: Int -> [Int]

distribucionDigitosPi2 n =

[length xs - 1 | xs <- group (sort (take n digitosPi ++ [0..9]))]

frecuenciaDigitosPi2 :: Int -> [Double]

frecuenciaDigitosPi2 n =

[100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi2 n]

where m = fromIntegral n

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> last (take 5000 digitosPi)

-- 2

-- (4.47 secs, 3,927,848,448 bytes)

-- λ> frecuenciaDigitosPi 5000

-- [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> frecuenciaDigitosPi2 5000

-- [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

-- (0.02 secs, 0 bytes)

Pensamiento

¿Cuál es la verdad? ¿El río
que fluye y pasa
donde el barco y el barquero
son también ondas de agua?
¿O este soñar del marino
siempre con ribera y ancla?

Antonio Machado

Diagonales invertidas

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