matrix

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

Matriz girada 180 grados

PorJosé A. Alonso 27-marzo-20193-abril-2019

Definir la función

   matrizGirada180 :: Matrix a -> Matrix a

1	matrizGirada180 :: Matrix a -> Matrix a

tal que (matrizGirada180 p) es la matriz obtenida girando 180 grados la matriz p. Por ejemplo,

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

   λ> matrizGirada180 (fromList 4 3 [1..])
   ( 12 11 10 )
   (  9  8  7 )
   (  6  5  4 )
   (  3  2  1 )

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

   λ> matrizGirada180 (fromList 3 4 [1..])
   ( 12 11 10  9 )
   (  8  7  6  5 )
   (  4  3  2  1 )

λ> fromList 4 3 [1..]

( 1 2 3 )

( 4 5 6 )

( 7 8 9 )

( 10 11 12 )

λ> matrizGirada180 (fromList 4 3 [1..])

( 12 11 10 )

( 9 8 7 )

( 6 5 4 )

( 3 2 1 )

λ> fromList 3 4 [1..]

( 1 2 3 4 )

( 5 6 7 8 )

( 9 10 11 12 )

λ> matrizGirada180 (fromList 3 4 [1..])

( 12 11 10 9 )

( 8 7 6 5 )

( 4 3 2 1 )

Soluciones

import Data.Matrix ( Matrix
                   , (!)
                   , fromList
                   , fromLists
                   , matrix
                   , ncols
                   , nrows
                   , toLists
                   )

-- 1ª solución
matrizGirada180 :: Matrix a -> Matrix a
matrizGirada180 p = matrix m n f
  where m       = nrows p
        n       = ncols p
        f (i,j) = p!(m-i+1,n-j+1)

-- 2ª solución
matrizGirada180b :: Matrix a -> Matrix a
matrizGirada180b p =
  fromLists (reverse (map reverse (toLists p)))

-- 3ª solución
matrizGirada180c :: Matrix a -> Matrix a
matrizGirada180c =
  fromLists . reverse . map reverse . toLists

import Data.Matrix ( Matrix

, (!)

, fromList

, fromLists

, matrix

, ncols

, nrows

, toLists

)

-- 1ª solución

matrizGirada180 :: Matrix a -> Matrix a

matrizGirada180 p = matrix m n f

where m = nrows p

n = ncols p

f (i,j) = p!(m-i+1,n-j+1)

-- 2ª solución

matrizGirada180b :: Matrix a -> Matrix a

matrizGirada180b p =

fromLists (reverse (map reverse (toLists p)))

-- 3ª solución

matrizGirada180c :: Matrix a -> Matrix a

matrizGirada180c =

fromLists . reverse . map reverse . toLists

Pensamiento

Bueno es recordar
las palabras viejas
que han de volver a sonar.

Antonio Machado

Matriz de mínimas distancias

PorJosé A. Alonso 22-marzo-201925-abril-2021

Definir las funciones

   minimasDistancias             :: Matrix Int -> Matrix Int
   sumaMinimaDistanciasIdentidad :: Int -> Int

1 2	minimasDistancias :: Matrix Int -> Matrix Int sumaMinimaDistanciasIdentidad :: Int -> Int

tales que

(mininasDistancias a) es la matriz de las mínimas distancias de cada elemento de a hasta alcanzar un 1 donde un paso es un movimiento hacia la izquierda, derecha, arriba o abajo. Por ejemplo,

     λ> minimasDistancias (fromLists [[0,1,1],[0,0,1]])
     ( 1 0 0 )
     ( 2 1 0 )
     λ> minimasDistancias (fromLists [[0,0,1],[1,0,0]])
     ( 1 1 0 )
     ( 0 1 1 )
     λ> minimasDistancias (identity 5)
     ( 0 1 2 3 4 )
     ( 1 0 1 2 3 )
     ( 2 1 0 1 2 )
     ( 3 2 1 0 1 )
     ( 4 3 2 1 0 )

λ> minimasDistancias (fromLists [[0,1,1],[0,0,1]])

( 1 0 0 )

( 2 1 0 )

λ> minimasDistancias (fromLists [[0,0,1],[1,0,0]])

( 1 1 0 )

( 0 1 1 )

λ> minimasDistancias (identity 5)

( 0 1 2 3 4 )

( 1 0 1 2 3 )

( 2 1 0 1 2 )

( 3 2 1 0 1 )

( 4 3 2 1 0 )

(sumaMinimaDistanciasIdentidad n) es la suma de los elementos de la matriz de las mínimas distancias correspondiente a la matriz identidad de orden n. Por ejemplo,

     sumaMinimaDistanciasIdentidad 5       ==  40
     sumaMinimaDistanciasIdentidad (10^2)  ==  333300
     sumaMinimaDistanciasIdentidad (10^4)  ==  333333330000
     sumaMinimaDistanciasIdentidad (10^6)  ==  333333333333000000

sumaMinimaDistanciasIdentidad 5 == 40

sumaMinimaDistanciasIdentidad (10^2) == 333300

sumaMinimaDistanciasIdentidad (10^4) == 333333330000

sumaMinimaDistanciasIdentidad (10^6) == 333333333333000000

Soluciones

import Data.Matrix
import Data.Maybe (isJust, fromJust)
import Test.QuickCheck

-- Definición de minimasDistancias
-- ===============================

minimasDistancias :: Matrix Int -> Matrix Int
minimasDistancias a = fmap fromJust (aux (matrizInicial a))
  where aux b | Nothing `elem` c = aux c
              | otherwise        = c
          where c = propagacion b

-- (matrizInicial a) es la matriz que tiene (Just 0) en los elementos de
-- a iguales a 1 y Nothing en los restantes. Por ejemplo,
--    λ> matrizInicial (fromLists [[0,0,1],[1,0,0]])
--    ( Nothing Nothing  Just 0 )
--    (  Just 0 Nothing Nothing )
matrizInicial :: Matrix Int -> Matrix (Maybe Int)
matrizInicial a = matrix m n f
  where m = nrows a
        n = ncols a
        f (i,j) | a ! (i,j) == 1 = Just 0
                | otherwise      = Nothing

-- (propagacion a) es la matriz obtenida cambiando los elementos Nothing
-- de a por el sigiente del mínomo de los valores de sus vecinos. Por
-- ejemplo,
--    λ> propagacion (fromLists [[0,1,1],[0,0,1]])
--    (  Just 1  Just 0  Just 0 )
--    ( Nothing  Just 1  Just 0 )
--    
--    λ> propagacion it
--    ( Just 1 Just 0 Just 0 )
--    ( Just 2 Just 1 Just 0 )
propagacion :: Matrix (Maybe Int) -> Matrix (Maybe Int)
propagacion a = matrix m n f
  where
    m = nrows a
    n = ncols a
    f (i,j) | isJust x  = x
            | otherwise = siguiente (minimo (valoresVecinos a (i,j)))
      where x = a ! (i,j)

-- (valoresVecinos a p) es la lista de los valores de los vecinos la
-- posición p en la matriz a. Por ejemplo,             
--    λ> a = fromList 3 4 [1..]
--    λ> a
--    (  1  2  3  4 )
--    (  5  6  7  8 )
--    (  9 10 11 12 )
--    
--    λ> valoresVecinos a (1,1)
--    [5,2]
--    λ> valoresVecinos a (2,3)
--    [3,11,6,8]
--    λ> valoresVecinos a (2,4)
--    [4,12,7]
valoresVecinos :: Matrix a -> (Int,Int) -> [a]
valoresVecinos a (i,j) = [a ! (k,l) | (k,l) <- vecinos m n (i,j)]
  where m = nrows a
        n = ncols a

-- (vecinos m n p) es la lista de las posiciones vecinas de la posición
-- p en la matriz a; es decir, los que se encuentran a su izquierda,
-- derecha, arriba o abajo. por ejemplo,
--    vecinos 3 4 (1,1)  ==  [(2,1),(1,2)]
--    vecinos 3 4 (2,3)  ==  [(1,3),(3,3),(2,2),(2,4)]
--    vecinos 3 4 (2,4)  ==  [(1,4),(3,4),(2,3)]
vecinos :: Int -> Int -> (Int,Int) -> [(Int,Int)]
vecinos m n (i,j) = [(i - 1,j)     | i > 1] ++
                    [(i + 1,j)     | i < m] ++
                    [(i,    j - 1) | j > 1] ++
                    [(i,    j + 1) | j < n]

-- (minimo xs) es el mínimo de la lista de valores opcionales xs
-- (considerando Nothing como el mayor elemento). Por ejemplo,
--    minimo [Just 3, Nothing, Just 2]  ==  Just 2
minimo :: [Maybe Int] -> Maybe Int
minimo = foldr1 minimo2

-- (minimo2 x y) es el mínimo de los valores opcionales x e y
-- (considerando Nothing como el mayor elemento). Por ejemplo,
--    minimo2 (Just 3) (Just 2)  ==  Just 2
--    minimo2 (Just 1) (Just 2)  ==  Just 1
--    minimo2 (Just 1) Nothing   ==  Just 1
--    minimo2 Nothing (Just 2)   ==  Just 2
--    minimo2 Nothing Nothing    ==  Nothing
minimo2 :: Maybe Int -> Maybe Int -> Maybe Int
minimo2 (Just x) (Just y) = Just (min x y)
minimo2 Nothing  (Just y) = Just y
minimo2 (Just x) Nothing  = Just x
minimo2 Nothing  Nothing  = Nothing

-- (siguiente x) es el siguiente elemento del opcional x (considerando
-- Nothing como el infinito). Por ejemplo, 
--    siguiente (Just 3)  ==  Just 4
--    siguiente Nothing  ==  Nothing
siguiente :: Maybe Int -> Maybe Int
siguiente (Just x) = Just (1 + x)
siguiente Nothing  = Nothing

-- 1ª definición de sumaMinimaDistanciasIdentidad
-- ==============================================

sumaMinimaDistanciasIdentidad :: Int -> Int
sumaMinimaDistanciasIdentidad n =
  sum (minimasDistancias (identity n))

-- 2ª definición de sumaMinimaDistanciasIdentidad
-- ==============================================

sumaMinimaDistanciasIdentidad2 :: Int -> Int
sumaMinimaDistanciasIdentidad2 n =
  n*(n^2-1) `div` 3

-- Equivalencia de las definiciones de sumaMinimaDistanciasIdentidad
-- =================================================================

-- La propiedad es
prop_MinimaDistanciasIdentidad :: Positive Int -> Bool
prop_MinimaDistanciasIdentidad (Positive n) =
  sumaMinimaDistanciasIdentidad n == sumaMinimaDistanciasIdentidad2 n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=50}) prop_MinimaDistanciasIdentidad
--    +++ OK, passed 100 tests.

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

-- La comparación es
--    λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad 50
--    41650
--    (0.24 secs, 149,395,744 bytes)
--    λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad 100
--    333300
--    (1.98 secs, 1,294,676,272 bytes)
--    λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad 200
--    2666600
--    (17.96 secs, 11,094,515,016 bytes)
--    
--    λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad2 50
--    41650
--    (0.00 secs, 126,944 bytes)
--    λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad2 100
--    333300
--    (0.00 secs, 126,872 bytes)
--    λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad2 200
--    2666600
--    (0.00 secs, 131,240 bytes)
--
-- Resumidamente, el tiempo es
--
--    +-----+---------+--------+
--    |   n | 1ª def. | 2ª def |
--    +-----+---------+--------+
--    |  50 |  0.24   | 0.00   |
--    | 100 |  1.98   | 0.00   |
--    | 200 | 17.96   | 0.00   | 
--    +-----+---------+--------+

100

101

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160

161

import Data.Matrix

import Data.Maybe (isJust, fromJust)

import Test.QuickCheck

-- Definición de minimasDistancias

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

minimasDistancias :: Matrix Int -> Matrix Int

minimasDistancias a = fmap fromJust (aux (matrizInicial a))

where aux b | Nothing `elem` c = aux c

| otherwise = c

where c = propagacion b

-- (matrizInicial a) es la matriz que tiene (Just 0) en los elementos de

-- a iguales a 1 y Nothing en los restantes. Por ejemplo,

-- λ> matrizInicial (fromLists [[0,0,1],[1,0,0]])

-- ( Nothing Nothing Just 0 )

-- ( Just 0 Nothing Nothing )

matrizInicial :: Matrix Int -> Matrix (Maybe Int)

matrizInicial a = matrix m n f

where m = nrows a

n = ncols a

f (i,j) | a ! (i,j) == 1 = Just 0

| otherwise = Nothing

-- (propagacion a) es la matriz obtenida cambiando los elementos Nothing

-- de a por el sigiente del mínomo de los valores de sus vecinos. Por

-- ejemplo,

-- λ> propagacion (fromLists [[0,1,1],[0,0,1]])

-- ( Just 1 Just 0 Just 0 )

-- ( Nothing Just 1 Just 0 )

-- λ> propagacion it

-- ( Just 1 Just 0 Just 0 )

-- ( Just 2 Just 1 Just 0 )

propagacion :: Matrix (Maybe Int) -> Matrix (Maybe Int)

propagacion a = matrix m n f

where

m = nrows a

n = ncols a

f (i,j) | isJust x = x

| otherwise = siguiente (minimo (valoresVecinos a (i,j)))

where x = a ! (i,j)

-- (valoresVecinos a p) es la lista de los valores de los vecinos la

-- posición p en la matriz a. Por ejemplo,

-- λ> a = fromList 3 4 [1..]

-- λ> a

-- ( 1 2 3 4 )

-- ( 5 6 7 8 )

-- ( 9 10 11 12 )

-- λ> valoresVecinos a (1,1)

-- [5,2]

-- λ> valoresVecinos a (2,3)

-- [3,11,6,8]

-- λ> valoresVecinos a (2,4)

-- [4,12,7]

valoresVecinos :: Matrix a -> (Int,Int) -> [a]

valoresVecinos a (i,j) = [a ! (k,l) | (k,l) <- vecinos m n (i,j)]

where m = nrows a

n = ncols a

-- (vecinos m n p) es la lista de las posiciones vecinas de la posición

-- p en la matriz a; es decir, los que se encuentran a su izquierda,

-- derecha, arriba o abajo. por ejemplo,

-- vecinos 3 4 (1,1) == [(2,1),(1,2)]

-- vecinos 3 4 (2,3) == [(1,3),(3,3),(2,2),(2,4)]

-- vecinos 3 4 (2,4) == [(1,4),(3,4),(2,3)]

vecinos :: Int -> Int -> (Int,Int) -> [(Int,Int)]

vecinos m n (i,j) = [(i - 1,j) | i > 1] ++

[(i + 1,j) | i < m] ++

[(i, j - 1) | j > 1] ++

[(i, j + 1) | j < n]

-- (minimo xs) es el mínimo de la lista de valores opcionales xs

-- (considerando Nothing como el mayor elemento). Por ejemplo,

-- minimo [Just 3, Nothing, Just 2] == Just 2

minimo :: [Maybe Int] -> Maybe Int

minimo = foldr1 minimo2

-- (minimo2 x y) es el mínimo de los valores opcionales x e y

-- (considerando Nothing como el mayor elemento). Por ejemplo,

-- minimo2 (Just 3) (Just 2) == Just 2

-- minimo2 (Just 1) (Just 2) == Just 1

-- minimo2 (Just 1) Nothing == Just 1

-- minimo2 Nothing (Just 2) == Just 2

-- minimo2 Nothing Nothing == Nothing

minimo2 :: Maybe Int -> Maybe Int -> Maybe Int

minimo2 (Just x) (Just y) = Just (min x y)

minimo2 Nothing (Just y) = Just y

minimo2 (Just x) Nothing = Just x

minimo2 Nothing Nothing = Nothing

-- (siguiente x) es el siguiente elemento del opcional x (considerando

-- Nothing como el infinito). Por ejemplo,

-- siguiente (Just 3) == Just 4

-- siguiente Nothing == Nothing

siguiente :: Maybe Int -> Maybe Int

siguiente (Just x) = Just (1 + x)

siguiente Nothing = Nothing

-- 1ª definición de sumaMinimaDistanciasIdentidad

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

sumaMinimaDistanciasIdentidad :: Int -> Int

sumaMinimaDistanciasIdentidad n =

sum (minimasDistancias (identity n))

-- 2ª definición de sumaMinimaDistanciasIdentidad

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

sumaMinimaDistanciasIdentidad2 :: Int -> Int

sumaMinimaDistanciasIdentidad2 n =

n*(n^2-1) `div` 3

-- Equivalencia de las definiciones de sumaMinimaDistanciasIdentidad

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

-- La propiedad es

prop_MinimaDistanciasIdentidad :: Positive Int -> Bool

prop_MinimaDistanciasIdentidad (Positive n) =

sumaMinimaDistanciasIdentidad n == sumaMinimaDistanciasIdentidad2 n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=50}) prop_MinimaDistanciasIdentidad

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia

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

-- La comparación es

-- λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad 50

-- 41650

-- (0.24 secs, 149,395,744 bytes)

-- λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad 100

-- 333300

-- (1.98 secs, 1,294,676,272 bytes)

-- λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad 200

-- 2666600

-- (17.96 secs, 11,094,515,016 bytes)

-- λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad2 50

-- 41650

-- (0.00 secs, 126,944 bytes)

-- λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad2 100

-- 333300

-- (0.00 secs, 126,872 bytes)

-- λ> sumaMinimaDistanciasIdentidad2 200

-- 2666600

-- (0.00 secs, 131,240 bytes)

-- Resumidamente, el tiempo es

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

-- | n | 1ª def. | 2ª def |

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

-- | 50 | 0.24 | 0.00 |

-- | 100 | 1.98 | 0.00 |

-- | 200 | 17.96 | 0.00 |

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

Pensamiento

La primavera ha venido.
Nadie sabe como ha sido.

Antonio Machado

Diagonales invertidas

PorJosé A. Alonso 13-marzo-201925-abril-2021

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' │

└ ┘

Soluciones

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)

Pensamiento

Despertad, cantores:
acaben los ecos,
empiecen las voces.

Antonio Machado

Camino de máxima suma en una matriz

PorJosé A. Alonso 8-marzo-201925-abril-2021

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 )

( 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

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]

1	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

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

Soluciones

import Data.Matrix
import Test.QuickCheck

-- 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)

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

-- El generador es
instance Arbitrary a => Arbitrary (Matrix a) where
  arbitrary =  do
    m <- choose (1,7)
    n <- choose (1,7)
    xs <- Test.QuickCheck.vector (n*m)
    return (fromList m n xs)


-- Por ejemplo,
--    λ> sample' (arbitrary :: Gen (Matrix Int))
--    [( 0 )
--     ( 0 )
--     ( 0 )
--     ( 0 )
--    ,(  1  2 )
--     ( -1  1 )
--     ( -1 -2 )
--     (  1 -1 )
--     (  1  0 )
--     (  2  0 )
--     (  2 -2 )
--    ,( -4  4 -2 )
--     ( -2  0 -2 )
--     (  0 -1 -2 )
--     ( -4 -1  2 )
--    ,( -2  7 -3  1 -5 -3  5 )
--     (  0  2  7 -1 -5  7 -6 )
--     (  1  7 -8  1  6 -7  5 )
--     ( -4  7 -2 -7 -5  5 -8 )
--    ...

-- La propiedad es
prop_caminoMaxSuma :: Matrix Int -> Bool
prop_caminoMaxSuma m =
  x1 == x2 && x2 == x3
  where x1 = sum (caminoMaxSuma1 m)
        x2 = sum (caminoMaxSuma2 m)
        x3 = sum (caminoMaxSuma1 m)

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


-- 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)

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import Data.Matrix

import Test.QuickCheck

-- 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)

-- Equivalencia de las definiciones

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

-- El generador es

instance Arbitrary a => Arbitrary (Matrix a) where

arbitrary = do

m <- choose (1,7)

n <- choose (1,7)

xs <- Test.QuickCheck.vector (n*m)

return (fromList m n xs)

-- Por ejemplo,

-- λ> sample' (arbitrary :: Gen (Matrix Int))

-- [( 0 )

-- ( 0 )

-- ,( 1 2 )

-- ( -1 1 )

-- ( -1 -2 )

-- ( 1 -1 )

-- ( 1 0 )

-- ( 2 0 )

-- ( 2 -2 )

-- ,( -4 4 -2 )

-- ( -2 0 -2 )

-- ( 0 -1 -2 )

-- ( -4 -1 2 )

-- ,( -2 7 -3 1 -5 -3 5 )

-- ( 0 2 7 -1 -5 7 -6 )

-- ( 1 7 -8 1 6 -7 5 )

-- ( -4 7 -2 -7 -5 5 -8 )

-- ...

-- La propiedad es

prop_caminoMaxSuma :: Matrix Int -> Bool

prop_caminoMaxSuma m =

x1 == x2 && x2 == x3

where x1 = sum (caminoMaxSuma1 m)

x2 = sum (caminoMaxSuma2 m)

x3 = sum (caminoMaxSuma1 m)

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_caminoMaxSuma

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- 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)

Pensamiento

Caminante, no hay camino,
sino estelas en la mar.

Antonio Machado

Matriz dodecafónica

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