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Etiqueta: minimum

Mínimo producto escalar

José A. Alonso, ,

El producto escalar de los vectores [a1,a2,…,an] y [b1,b2,…, bn] es

   a1 * b1 + a2 * b2 + ··· + an * bn.

Definir la función

   menorProductoEscalar :: (Ord a, Num a) => [a] -> [a] -> a

tal que (menorProductoEscalar xs ys) es el mínimo de los productos escalares de las permutaciones de xs y de las permutaciones de ys. Por ejemplo,

   menorProductoEscalar [3,2,5]  [1,4,6]    == 29
   menorProductoEscalar [3,2,5]  [1,4,-6]   == -19
   menorProductoEscalar [1..10^2] [1..10^2] == 171700
   menorProductoEscalar [1..10^3] [1..10^3] == 167167000
   menorProductoEscalar [1..10^4] [1..10^4] == 166716670000
   menorProductoEscalar [1..10^5] [1..10^5] == 166671666700000
   menorProductoEscalar [1..10^6] [1..10^6] == 166667166667000000

Soluciones

module Minimo_producto_escalar where
 
import Data.List (sort, permutations)
import Test.QuickCheck (quickCheck)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
menorProductoEscalar1 :: (Ord a, Num a) => [a] -> [a] -> a
menorProductoEscalar1 xs ys =
  minimum [sum (zipWith (*) pxs pys) | pxs <- permutations xs,
                                       pys <- permutations ys]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
menorProductoEscalar2 :: (Ord a, Num a) => [a] -> [a] -> a
menorProductoEscalar2 xs ys =
  minimum [sum (zipWith (*) pxs ys) | pxs <- permutations xs]
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
menorProductoEscalar3 :: (Ord a, Num a) => [a] -> [a] -> a
menorProductoEscalar3 xs ys =
  sum (zipWith (*) (sort xs) (reverse (sort ys)))
 
-- Equivalencia
-- ============
 
-- La propiedad es
prop_menorProductoEscalar :: [Integer] -> [Integer] -> Bool
prop_menorProductoEscalar xs ys =
  all (== menorProductoEscalar1 xs' ys')
      [menorProductoEscalar2 xs' ys',
       menorProductoEscalar3 xs' ys']
  where n   = min (length xs) (length ys)
        xs' = take n xs
        ys' = take n ys
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_menorProductoEscalar
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> menorProductoEscalar1 [0..5] [0..5]
--    20
--    (3.24 secs, 977385528 bytes)
--    λ> menorProductoEscalar2 [0..5] [0..5]
--    20
--    (0.01 secs, 4185776 bytes)
--
--    λ> menorProductoEscalar2 [0..9] [0..9]
--    120
--    (23.86 secs, 9342872784 bytes)
--    λ> menorProductoEscalar3 [0..9] [0..9]
--    120
--    (0.01 secs, 2580824 bytes)
--
--    λ> menorProductoEscalar3 [0..10^6] [0..10^6]
--    166666666666500000
--    (2.46 secs, 473,338,912 bytes)

El código se encuentra en GitHub.

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Ordenada cíclicamente

José A. Alonso, ,

Se dice que una sucesión x(1), …, x(n) está ordenada cíclicamente si existe un índice i tal que la sucesión

   x(i), x(i+1), ..., x(n), x(1), ..., x(i-1)

está ordenada crecientemente de forma estricta.

Definir la función

   ordenadaCiclicamente :: Ord a => [a] -> Maybe Int

tal que (ordenadaCiclicamente xs) es el índice a partir del cual está ordenada, si la lista está ordenado cíclicamente y Nothing en caso contrario. Por ejemplo,

   ordenadaCiclicamente [1,2,3,4]      ==  Just 0
   ordenadaCiclicamente [5,8,1,3]      ==  Just 2
   ordenadaCiclicamente [4,6,7,5,1,3]  ==  Nothing
   ordenadaCiclicamente [1,0,3,2]      ==  Nothing
   ordenadaCiclicamente [1,2,0]        ==  Just 2
   ordenadaCiclicamente "cdeab"        ==  Just 3

Nota: Se supone que el argumento es una lista no vacía sin elementos repetidos.

Soluciones

module Ordenada_ciclicamente where
 
import Test.QuickCheck (Arbitrary, Gen, NonEmptyList (NonEmpty), Property,
                        arbitrary, chooseInt, collect, quickCheck)
import Data.List       (nub, sort)
import Data.Maybe      (isJust, listToMaybe)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
ordenadaCiclicamente1 :: Ord a => [a] -> Maybe Int
ordenadaCiclicamente1 xs = aux 0 xs
  where n = length xs
        aux i zs
          | i == n      = Nothing
          | ordenada zs = Just i
          | otherwise   = aux (i+1) (siguienteCiclo zs)
 
-- (ordenada xs) se verifica si la lista xs está ordenada
-- crecientemente. Por ejemplo,
--   ordenada "acd"   ==  True
--   ordenada "acdb"  ==  False
ordenada :: Ord a => [a] -> Bool
ordenada []     = True
ordenada (x:xs) = all (x <) xs && ordenada xs
 
-- (siguienteCiclo xs) es la lista obtenida añadiendo el primer elemento
-- de xs al final del resto de xs. Por ejemplo,
--   siguienteCiclo [3,2,5]  =>  [2,5,3]
siguienteCiclo :: [a] -> [a]
siguienteCiclo []     = []
siguienteCiclo (x:xs) = xs ++ [x]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
ordenadaCiclicamente2 :: Ord a => [a] -> Maybe Int
ordenadaCiclicamente2 xs =
  listToMaybe [n | n <- [0..length xs-1],
                   ordenada (drop n xs ++ take n xs)]
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
ordenadaCiclicamente3 :: Ord a => [a] -> Maybe Int
ordenadaCiclicamente3 xs
  | ordenada (bs ++ as) = Just k
  | otherwise           = Nothing
  where (_,k)   = minimum (zip xs [0..])
        (as,bs) = splitAt k xs
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_ordenadaCiclicamente1 :: NonEmptyList Int -> Bool
prop_ordenadaCiclicamente1 (NonEmpty xs) =
  ordenadaCiclicamente1 xs == ordenadaCiclicamente2 xs
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_ordenadaCiclicamente1
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- La propiedad para analizar los casos de prueba
prop_ordenadaCiclicamente2 :: NonEmptyList Int -> Property
prop_ordenadaCiclicamente2 (NonEmpty xs) =
  collect (isJust (ordenadaCiclicamente1 xs)) $
  ordenadaCiclicamente1 xs == ordenadaCiclicamente2 xs
 
-- El análisis es
--    λ> quickCheck prop_ordenadaCiclicamente2
--    +++ OK, passed 100 tests:
--    89% False
--    11% True
 
-- Tipo para generar listas
newtype Lista = L [Int]
  deriving Show
 
-- Generador de listas.
listaArbitraria :: Gen Lista
listaArbitraria = do
  x <- arbitrary
  xs <- arbitrary
  let ys = x : xs
  k <- chooseInt (0, length ys)
  let (as,bs) = splitAt k (sort (nub ys))
  return (L (bs ++ as))
 
-- Lista es una subclase de Arbitrary.
instance Arbitrary Lista where
  arbitrary = listaArbitraria
 
-- La propiedad para analizar los casos de prueba
prop_ordenadaCiclicamente3 :: Lista -> Property
prop_ordenadaCiclicamente3 (L xs) =
  collect (isJust (ordenadaCiclicamente1 xs)) $
  ordenadaCiclicamente1 xs == ordenadaCiclicamente2 xs
 
-- El análisis es
--    λ> quickCheck prop_ordenadaCiclicamente3
--    +++ OK, passed 100 tests (100% True).
 
-- Tipo para generar
newtype Lista2 = L2 [Int]
  deriving Show
 
-- Generador de listas
listaArbitraria2 :: Gen Lista2
listaArbitraria2 = do
  x' <- arbitrary
  xs <- arbitrary
  let ys = x' : xs
  k <- chooseInt (0, length ys)
  let (as,bs) = splitAt k (sort (nub ys))
  n <- chooseInt (0,1)
  return (if even n
          then L2 (bs ++ as)
          else L2 ys)
 
-- Lista es una subclase de Arbitrary.
instance Arbitrary Lista2 where
  arbitrary = listaArbitraria2
 
-- La propiedad para analizar los casos de prueba
prop_ordenadaCiclicamente4 :: Lista2 -> Property
prop_ordenadaCiclicamente4 (L2 xs) =
  collect (isJust (ordenadaCiclicamente1 xs)) $
  ordenadaCiclicamente1 xs == ordenadaCiclicamente2 xs
 
-- El análisis es
--    λ> quickCheck prop_ordenadaCiclicamente4
--    +++ OK, passed 100 tests:
--    51% True
--    49% False
 
-- La propiedad es
prop_ordenadaCiclicamente :: Lista2 -> Bool
prop_ordenadaCiclicamente (L2 xs) =
  all (== ordenadaCiclicamente1 xs)
      [ordenadaCiclicamente2 xs,
       ordenadaCiclicamente3 xs]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_ordenadaCiclicamente
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> ordenadaCiclicamente1 ([100..4000] ++ [1..99])
--    Just 3901
--    (3.27 secs, 2,138,864,568 bytes)
--    λ> ordenadaCiclicamente2 ([100..4000] ++ [1..99])
--    Just 3901
--    (2.44 secs, 1,430,040,008 bytes)
--    λ> ordenadaCiclicamente3 ([100..4000] ++ [1..99])
--    Just 3901
--    (1.18 secs, 515,549,200 bytes)

El código se encuentra en GitHub.

La elaboración de las soluciones se describe en el siguiente vídeo

Nuevas soluciones

  • En los comentarios se pueden escribir nuevas soluciones.
  • El código se debe escribir entre una línea con <pre lang="haskell"> y otra con </pre>
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Número como suma de sus dígitos

José A. Alonso, ,

El número 23 se puede escribir de 4 formas como suma de sus dígitos

   2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 3
   2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 3 + 3 + 3
   2 + 2 + 2 + 2 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3
   2 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3 + 3

La de menor número de sumando es la última, que tiene 8 sumandos.

Definir las funciones

   minimoSumandosDigitos        :: Integer -> Integer
   graficaMinimoSumandosDigitos :: Integer -> IO ()

tales que

  • (minimoSumandosDigitos n) es el menor número de dígitos de n cuya suma es n. Por ejemplo,
     minimoSumandosDigitos 23    ==  8
     minimoSumandosDigitos 232   ==  78
     minimoSumandosDigitos 2323  ==  775
     map minimoSumandosDigitos [10..20] == [10,11,6,5,5,3,6,5,4,3,10]
  • (graficaMinimoSumandosDigitos n) dibuja la gráfica de (minimoSumandosDigitos k) par los k primeros números naturales. Por ejemplo, (graficaMinimoSumandosDigitos 300) dibuja

Soluciones

import Test.QuickCheck
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Data.List (nub, genericLength, sort)
import Data.Array (array, (!))
 
minimoSumandosDigitos :: Integer -> Integer
minimoSumandosDigitos n =
  minimoSumandos (digitos n) n
 
-- (digitos n) es el conjunto de los dígitos no nulos de n. Por ejemplo,
--    digitos 2032  ==  [2,3]
digitos :: Integer -> [Integer]
digitos n =
  nub [read [c] | c <- show n, c /= '0']
 
-- (minimoSumandos xs n) es el menor número de elementos de la lista de
-- enteros positivos xs (con posibles repeticiones) cuya suma es n. Por
-- ejemplo, 
--    minimoSumandos [7,2,4] 11  ==  2
minimoSumandos :: [Integer] -> Integer -> Integer
minimoSumandos xs n =
  minimum (map genericLength (sumas xs n))
 
-- (sumas xs n) es la lista de elementos de la lista de enteros
-- positivos xs (con posibles repeticiones) cuya suma es n. Por ejemplo,  
--    sumas [7,2,4] 11  ==  [[7,2,2],[7,4]]
sumas :: [Integer] -> Integer -> [[Integer]]
sumas [] 0 = [[]]
sumas [] _ = []
sumas (x:xs) n
  | x <= n    = map (x:) (sumas (x:xs) (n-x)) ++ sumas xs n
  | otherwise = sumas xs n
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
minimoSumandosDigitos2 :: Integer -> Integer
minimoSumandosDigitos2 n = aux n 
  where
    aux 0 = 0
    aux k = 1 + minimo [aux (k - x) | x <- ds,  k >= x]
    ds    = digitos n
    infinito = 10^100
    minimo xs | null xs   = infinito
              | otherwise = minimum xs
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
minimoSumandosDigitos3 :: Integer -> Integer
minimoSumandosDigitos3 n = v ! n
  where
    v   = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
    f 0 = 0
    f k = 1 + minimo [v ! (k - x) | x <- ds, k >= x]
    ds       = digitos n
    infinito = 10^100
    minimo xs | null xs   = infinito
              | otherwise = minimum xs
 
-- Equivalencia de las definiciones
-- ================================
 
-- La propiedad es
prop_minimoSumandosDigitos :: Positive Integer -> Bool
prop_minimoSumandosDigitos (Positive n) =
  r1 == r2 && r2 == r3
  where
    r1 = minimoSumandosDigitos n
    r2 = minimoSumandosDigitos n
    r3 = minimoSumandosDigitos n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=9}) prop_minimoSumandosDigitos
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Definición de graficaMinimoSumandosDigitos
-- ==========================================
 
graficaMinimoSumandosDigitos :: Integer -> IO ()
graficaMinimoSumandosDigitos n =
  plotList [ Key Nothing
           -- , PNG "Numero_como_suma_de_sus_digitos.png"
           ]
           [minimoSumandosDigitos k | k <- [0..n-1]]
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Cambio con el menor número de monedas

José A. Alonso, ,

El problema del cambio con el menor número de monedas consiste en, dada una lista ms de tipos de monedas (con infinitas monedas de cada tipo) y una cantidad objetivo x, calcular el menor número de monedas de ms cuya suma es x. Por ejemplo, con monedas de 1, 3 y 4 céntimos se puede obtener 6 céntimos de 4 formas

   1, 1, 1, 1, 1, 1
   1, 1, 1, 3
   1, 1, 4
   3, 3

El menor número de monedas que se necesita es 2. En cambio, con monedas de 2, 5 y 10 es imposible obtener 3.

Definir

   monedas :: [Int] -> Int -> Maybe Int

tal que (monedas ms x) es el menor número de monedas de ms cuya suma es x, si es posible obtener dicha suma y es Nothing en caso contrario. Por ejemplo,

   monedas [1,3,4]  6                    ==  Just 2
   monedas [2,5,10] 3                    ==  Nothing
   monedas [1,2,5,10,20,50,100,200] 520  ==  Just 4

Soluciones

import Data.Array ((!), array)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
monedas :: [Int] -> Int -> Maybe Int
monedas ms x
  | null cs   = Nothing
  | otherwise = Just (minimum (map length cs))
  where cs = cambios ms x
 
-- (cambios ms x) es la lista de las foemas de obtener x sumando monedas
-- de ms. Por ejemplo,
--   λ> cambios [1,5,10] 12
--   [[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1],[1,1,1,1,1,1,1,5],[1,1,5,5],[1,1,10]]
--   λ> cambios [2,5,10] 3
--   []
--   λ> cambios [1,3,4] 6
--   [[1,1,1,1,1,1],[1,1,1,3],[1,1,4],[3,3]]
cambios :: [Int] -> Int -> [[Int]]
cambios _      0 = [[]]
cambios []     _ = []
cambios (k:ks) m
  | m < k     = []
  | otherwise = [k:zs | zs <- cambios (k:ks) (m - k)] ++
                cambios ks m
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
monedas2 :: [Int] -> Int -> Maybe Int
monedas2 ms n
  | sol == infinito = Nothing
  | otherwise       = Just sol
  where
    sol = aux n
    aux 0 = 0
    aux k = siguiente (minimo [aux (k - x) | x <- ms,  k >= x])
 
infinito :: Int
infinito = 10^30
 
minimo :: [Int] -> Int
minimo [] = infinito
minimo xs = minimum xs
 
siguiente :: Int -> Int
siguiente x | x == infinito = infinito
            | otherwise     = 1 + x
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
monedas3 :: [Int] -> Int -> Maybe Int
monedas3 ms n  
  | sol == infinito = Nothing
  | otherwise       = Just sol
  where
    sol = v ! n
    v   = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
    f 0 = 0
    f k = siguiente (minimo [v ! (k - x) | x <- ms, k >= x])
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> monedas [1,2,5,10,20,50,100,200] 27
--    Just 3
--    (0.02 secs, 871,144 bytes)
--    λ> monedas2 [1,2,5,10,20,50,100,200] 27
--    Just 3
--    (15.44 secs, 1,866,519,080 bytes)
--    λ> monedas3 [1,2,5,10,20,50,100,200] 27
--    Just 3
--    (0.01 secs, 157,232 bytes)
--    
--    λ> monedas [1,2,5,10,20,50,100,200] 188
--    Just 7
--    (14.20 secs, 1,845,293,080 bytes)
--    λ> monedas3 [1,2,5,10,20,50,100,200] 188
--    Just 7
--    (0.01 secs, 623,376 bytes)
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Caminos en un grafo

José A. Alonso, ,

Definir las funciones

   grafo   :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int
   caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

tales que

  • (grafo as) es el grafo no dirigido definido cuyas aristas son as. Por ejemplo, 
     ghci> grafo [(2,4),(4,5)]
     G ND (array (2,5) [(2,[(4,0)]),(3,[]),(4,[(2,0),(5,0)]),(5,[(4,0)])])
  • (caminos g a b) es la lista los caminos en el grafo g desde a hasta b sin pasar dos veces por el mismo nodo. Por ejemplo,
     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 7)
     [[1,3,5,7],[1,3,7]]
     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 2 7)
     [[2,5,3,7],[2,5,7]]
     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 2)
     [[1,3,5,2],[1,3,7,5,2]]
     ghci> caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 4
     []
     ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
     109601

Soluciones

import Data.List (sort)
import I1M.Grafo
import I1M.BusquedaEnEspaciosDeEstados
 
grafo :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int
grafo as = creaGrafo ND (m,n) [(x,y,0) | (x,y) <- as]
  where ns = map fst as ++ map snd as
        m  = minimum ns
        n  = maximum ns
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]
caminos g a b = aux [[b]] where 
  aux [] = []
  aux ((x:xs):yss)
    | x == a    = (x:xs) : aux yss
    | otherwise = aux ([z:x:xs | z <- adyacentes g x
                               , z `notElem` (x:xs)] 
                       ++ yss) 
 
-- 2ª solución (mediante espacio de estados)
-- =========================================
 
caminos2 :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]
caminos2 g a b = buscaEE sucesores esFinal inicial
  where inicial          = [b]
        sucesores (x:xs) = [z:x:xs | z <- adyacentes g x
                                   , z `notElem` (x:xs)] 
        esFinal (x:xs)   = x == a
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
--    109601
--    (3.57 secs, 500533816 bytes)
--    ghci> length (caminos2 (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
--    109601
--    (3.53 secs, 470814096 bytes)
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