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Etiqueta: minimum

Mínimo producto escalar

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

Ordenada cíclicamente

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.

Número como suma de sus dígitos

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]]

Cambio con el menor número de monedas

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)

Caminos en un grafo

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)

Matriz de mínimas distancias

Definir las funciones

   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 )
  • (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

Soluciones

import Data.Matrix     
import Data.Maybe      
import Test.QuickCheck 
 
-- 1ª definición de minimasDistancias
-- ==================================
 
minimasDistancias :: Matrix Int -> Matrix Int
minimasDistancias a = 
  matrix (nrows a) (ncols a) (\(i,j) -> minimaDistancia (i,j) a) 
 
minimaDistancia :: (Int,Int) -> Matrix Int -> Int
minimaDistancia (a,b) p =
  minimum [distancia (a,b) (c,d) | (c,d) <- unos p]
 
unos :: Matrix Int -> [(Int,Int)]
unos p = [(i,j) | i <- [1..nrows p]
                , j <- [1..ncols p]
                , p ! (i,j) == 1]
 
distancia :: (Int,Int) -> (Int,Int) -> Int
distancia (a,b) (c,d) = abs (c - a) + abs (d - b)
 
-- 2ª definición de minimasDistancias
-- ==================================
 
minimasDistancias2 :: Matrix Int -> Matrix Int
minimasDistancias2 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 siguiente del mínimo 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
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> maximum (minimasDistancias (identity 40))
--    39
--    (3.85 secs, 654,473,496 bytes)
--    λ> maximum (minimasDistancias2 (identity 40))
--    39
--    (0.50 secs, 75,079,912 bytes)
 
-- 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 de sumaMinimaDistanciasIdentidad
-- ==========================================================
 
-- 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   | 
--    +-----+---------+--------+

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>

Conjetura de Goldbach

Una forma de la conjetura de Golbach afirma que todo entero mayor que 1 se puede escribir como la suma de uno, dos o tres números primos.

Si se define el índice de Goldbach de n > 1 como la mínima cantidad de primos necesarios para que su suma sea n, entonces la conjetura de Goldbach afirma que todos los índices de Goldbach de los enteros mayores que 1 son menores que 4.

Definir las siguientes funciones

   indiceGoldbach  :: Int -> Int
   graficaGoldbach :: Int -> IO ()

tales que

  • (indiceGoldbach n) es el índice de Goldbach de n. Por ejemplo,
     indiceGoldbach 2                        ==  1
     indiceGoldbach 4                        ==  2
     indiceGoldbach 27                       ==  3
     sum (map indiceGoldbach [2..5000])      ==  10619
     maximum (map indiceGoldbach [2..5000])  ==  3
  • (graficaGoldbach n) dibuja la gráfica de los índices de Goldbach de los números entre 2 y n. Por ejemplo, (graficaGoldbach 150) dibuja
    Conjetura_de_Goldbach_150

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Goldbach anterior.

Soluciones

import Data.Array
import Data.Numbers.Primes
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Test.QuickCheck
 
 
-- 1ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach :: Int -> Int
indiceGoldbach n =
  minimum (map length (particiones n))
 
particiones :: Int -> [[Int]]
particiones n = v ! n where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
    where f 0 = [[]]
          f m = [x:y | x <- xs, 
                       y <- v ! (m-x), 
                       [x] >= take 1 y]
            where xs = reverse (takeWhile (<= m) primes)
 
-- 2ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach2 :: Int -> Int
indiceGoldbach2 x =
  head [n | n <- [1..], esSumaDe x n]
 
-- (esSumaDe x n) se verifica si x se puede escribir como la suma de n
-- primos. Por ejemplo,
--    esSumaDe 2  1  ==  True
--    esSumaDe 4  1  ==  False
--    esSumaDe 4  2  ==  True
--    esSumaDe 27 2  ==  False
--    esSumaDe 27 3  ==  True
esSumaDe :: Int -> Int -> Bool
esSumaDe x 1 = isPrime x
esSumaDe x n = or [esSumaDe (x-p) (n-1) | p <- takeWhile (<= x) primes]
 
-- 3ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach3 :: Int -> Int
indiceGoldbach3 x =
  head [n | n <- [1..], esSumaDe3 x n]
 
esSumaDe3 :: Int -> Int -> Bool
esSumaDe3 x n = a ! (x,n) where
  a = array ((2,1),(x,9)) [((i,j),f i j) | i <- [2..x], j <- [1..9]]
  f i 1 = isPrime i
  f i j = or [a!(i-k,j-1) | k <- takeWhile (<= i) primes]
 
-- 4ª definición
-- =============
 
indiceGoldbach4 :: Int -> Int
indiceGoldbach4 n = v ! n where
  v = array (2,n) [(i,f i) | i <- [2..n]]
  f i | isPrime i = 1
      | otherwise = 1 + minimum [v!(i-p) | p <- takeWhile (< (i-1)) primes]
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> sum (map indiceGoldbach [2..80])
--    142
--    (2.66 secs, 1,194,330,496 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach2 [2..80])
--    142
--    (0.01 secs, 1,689,944 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach3 [2..80])
--    142
--    (0.03 secs, 27,319,296 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach4 [2..80])
--    142
--    (0.03 secs, 47,823,656 bytes)
--    
--    λ> sum (map indiceGoldbach2 [2..1000])
--    2030
--    (0.10 secs, 200,140,264 bytes)
--    λ> sum (map indiceGoldbach3 [2..1000])
--    2030
--    (3.10 secs, 4,687,467,664 bytes)
 
-- Gráfica
-- =======
 
graficaGoldbach :: Int -> IO ()
graficaGoldbach n =
  plotList [ Key Nothing
           , XRange (2,fromIntegral n)
           , PNG ("Conjetura_de_Goldbach_" ++ show n ++ ".png")
           ]
           [indiceGoldbach2 k | k <- [2..n]]
 
-- Comprobación de la conjetura de Goldbach
-- ========================================
 
-- La propiedad es
prop_Goldbach :: Int -> Property
prop_Goldbach x =
  x >= 2 ==> indiceGoldbach2 x < 4
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_Goldbach
--    +++ OK, passed 100 tests.

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 diferencia entre los matemáticos y los físicos es que después de que los físicos prueban un gran resultado piensan que es fantástico, pero después de que los matemáticos prueban un gran resultado piensan que es trivial.”

Lucien Szpiro.

Matriz de mínimas distancias

Definir las funciones

   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 )
  • (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

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   | 
--    +-----+---------+--------+

Pensamiento

La primavera ha venido.
Nadie sabe como ha sido.

Antonio Machado

Caminos minimales en un árbol numérico

En la librería Data.Tree se definen los tipos de árboles y bosques como sigue

   data Tree a   = Node a (Forest a)
   type Forest a = [Tree a]

Se pueden definir árboles. Por ejemplo,

   ej = Node 3 [Node 5 [Node 9 []], Node 7 []]

Y se pueden dibujar con la función drawTree. Por ejemplo,

   λ> putStrLn (drawTree (fmap show ej))
   3
   |
   +- 5
   |  |
   |  `- 9
   |
   `- 7

Los mayores divisores de un número x son los divisores u tales que u > 1 y existe un v tal que 1 < v < u y u.v = x. Por ejemplo, los mayores divisores de 24 son 12, 8 y 6.

El árbol de los predecesores y mayores divisores de un número x es el árbol cuya raíz es x y los sucesores de cada nodo y > 1 es el conjunto formado por y-1 junto con los mayores divisores de y. Los nodos con valor 1 no tienen sucesores. Por ejemplo, el árbol de los predecesores y mayores divisores del número 6 es

       6
      / \
     5   3 
     |   |
     4   2
    / \  |
   3   2 1 
   |   | 
   2   1
   |
   1

Definir las siguientes funciones

   mayoresDivisores :: Int -> [Int]
   arbol            :: Int -> Tree Int
   caminos          :: Int -> [[Int]]
   caminosMinimales :: Int -> [[Int]]

tales que
+ (mayoresDivisores x) es la lista de los mayores divisores de x. Por ejemplo,

     mayoresDivisores 24  ==  [12,8,6]
     mayoresDivisores 16  ==  [8,4]
     mayoresDivisores 10  ==  [5]
     mayoresDivisores 17  ==  []
  • (arbol x) es el árbol de los predecesores y mayores divisores del número x. Por ejemplo,
     λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbol 6)))
     6
     |
     +- 5
     |  |
     |  `- 4
     |     |
     |     +- 3
     |     |  |
     |     |  `- 2
     |     |     |
     |     |     `- 1
     |     |
     |     `- 2
     |        |
     |        `- 1
     |
     `- 3
        |
        `- 2
           |
           `- 1
  • (caminos x) es la lista de los caminos en el árbol de los predecesores y mayores divisores del número x. Por ejemplo,
     λ> caminos 6
     [[6,5,4,3,2,1],[6,5,4,2,1],[6,3,2,1]]
  • (caminosMinimales x) es la lista de los caminos en de menor longitud en el árbol de los predecesores y mayores divisores del número x. Por ejemplo,
     λ> caminosMinimales 6
     [[6,3,2,1]]
     λ> caminosMinimales 17
     [[17,16,4,2,1]]
     λ> caminosMinimales 50
     [[50,25,5,4,2,1],[50,10,9,3,2,1],[50,10,5,4,2,1]]

Soluciones

import Data.Tree
import Test.QuickCheck
 
mayoresDivisores :: Int -> [Int]
mayoresDivisores x =
  [max u v | u <- [2..floor (sqrt (fromIntegral x))]
           , x `mod` u == 0
           , let v = x `div` u]  
 
arbol :: Int -> Tree Int
arbol 1 = Node 1 []
arbol x = Node x (arbol (x-1) : [arbol y | y <- mayoresDivisores x])
 
caminos :: Int -> [[Int]]
caminos = caminosArbol . arbol
 
--    λ> caminosArbol (arbol 6)
--    [[6,5,4,3,2,1],[6,5,4,2,1],[6,3,2,1]]
caminosArbol :: Tree a -> [[a]]
caminosArbol (Node x []) = [[x]]
caminosArbol (Node x as) = [x:ys | ys <- caminosBosque as]
 
caminosBosque :: Forest a -> [[a]]
caminosBosque = concatMap caminosArbol
 
caminosMinimales :: Int -> [[Int]]
caminosMinimales x = [ys | ys <- yss, length ys == m]
  where yss = caminos x
        m   = minimum (map length yss)

Pensamiento

Tras el vivir y el soñar,
está lo que más importa:
despertar.

Antonio Machado

Cambio con el menor número de monedas

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)

Pensamiento

Demos tiempo al tiempo:
para que el vaso rebose
hay que llenarlo primero.

Antonio Machado