mod

Caminos minimales en un arbol numérico

PorJosé A. Alonso 10-marzo-201725-abril-2021

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

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

1 2	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 []]

1	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

λ> putStrLn (drawTree (fmap show ej))

+- 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

/ \

5 3

| |

4 2

/ \ |

3 2 1

| |

2 1

Definir las siguientes funciones

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

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  ==  []

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

λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbol 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]]

1 2	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]]

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

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)

import Data.Tree

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)

Números binarios invertidos

PorJosé A. Alonso 6-marzo-201713-marzo-2017

La representación binaria de 13 es 1101, que al invertirlo da 1011 cuya representación decimal es el número 11.

Definir la función

   transformado :: Integer -> Integer

1	transformado :: Integer -> Integer

tal que (transformado x) es la representación decimal del número obtenido invirtiendo la representación binaria de x. Por ejemplo,

   transformado 13  ==  11
   transformado 47  ==  61

1 2	transformado 13 == 11 transformado 47 == 61

Nota: El ejercicio está basado en el problema Reversed Binary Numbers de Kattis.

Soluciones

transformado :: Integer -> Integer 
transformado = bin2int . reverse . int2bin

-- (int2bin x) es la representación binaria de x. Por ejemplo,
--    int2bin 13  ==  [1,0,1,1]
int2bin :: Integer -> [Integer]
int2bin n | n < 2     = [n]
          | otherwise = n `mod` 2 : int2bin (n `div` 2)

-- (bin2int x) es la representación decimal del número binario x. Por
-- ejemplo, 
--    bin2int [1,0,1,1]           ==  13
--    bin2int (reverse [1,0,1,1]) ==  11
bin2int :: [Integer] -> Integer
bin2int =  foldr (\x y -> x + 2*y) 0

transformado :: Integer -> Integer

transformado = bin2int . reverse . int2bin

-- (int2bin x) es la representación binaria de x. Por ejemplo,

-- int2bin 13 == [1,0,1,1]

int2bin :: Integer -> [Integer]

int2bin n | n < 2 = [n]

| otherwise = n `mod` 2 : int2bin (n `div` 2)

-- (bin2int x) es la representación decimal del número binario x. Por

-- ejemplo,

-- bin2int [1,0,1,1] == 13

-- bin2int (reverse [1,0,1,1]) == 11

bin2int :: [Integer] -> Integer

bin2int = foldr (\x y -> x + 2*y) 0

Sucesiones alícuotas

PorJosé A. Alonso 28-febrero-20177-marzo-2017

La sucesión alícuota de un número x es la sucesión cuyo primer término es x y cada otro término es la suma de los divisores propios del término anterior. Por ejemplo, la sucesión alícuota de 10 es [10,8,7,1,0,0,0] ya que

   la suma de los divisores propios de 10 es 5 + 2 + 1 = 8
   la suma de los divisores propios de  8 es 4 + 2 + 1 = 7
   la suma de los divisores propios de  7 es 1
   la suma de los divisores propios de  1 es 0

la suma de los divisores propios de 10 es 5 + 2 + 1 = 8

la suma de los divisores propios de 8 es 4 + 2 + 1 = 7

la suma de los divisores propios de 7 es 1

la suma de los divisores propios de 1 es 0

Definir la función

   sucAlicuota :: Integer -> [Integer]

1	sucAlicuota :: Integer -> [Integer]

tal que (sucAlicuota x) es la sucesión alícuota de x. Por ejemplo,

   take 6 (sucAlicuota 10)       ==  [10,8,7,1,0,0]
   take 6 (sucAlicuota 95)       ==  [95,25,6,6,6,6]
   take 6 (sucAlicuota 220)      ==  [220,284,220,284,220,284]
   sucAlicuota 1184 !! (1+10^7)  ==  1210
   sucAlicuota 276 !! 200        ==  2790456740340877466506

take 6 (sucAlicuota 10) == [10,8,7,1,0,0]

take 6 (sucAlicuota 95) == [95,25,6,6,6,6]

take 6 (sucAlicuota 220) == [220,284,220,284,220,284]

sucAlicuota 1184 !! (1+10^7) == 1210

sucAlicuota 276 !! 200 == 2790456740340877466506

Soluciones

import Math.NumberTheory.ArithmeticFunctions (sigma)

-- 1ª definición
-- =============

sucAlicuota :: Integer -> [Integer]
sucAlicuota x = x : sucAlicuota (sumaDivisoresPropios x)

sumaDivisoresPropios :: Integer -> Integer
sumaDivisoresPropios x =
  sum [y | y <- [1..x-1], x `mod` y == 0]

-- 2ª definición
-- =============

sucAlicuota2 :: Integer -> [Integer]
sucAlicuota2 = iterate (sum . divisoresPropios)

divisoresPropios :: Integer -> [Integer]
divisoresPropios x = [y | y <- [1..x-1], x `mod` y == 0]

-- 3ª definición
-- =============

sucAlicuota3 :: Integer -> [Integer]
sucAlicuota3 x = aux x []
  where aux y ys | y `elem` ys = us ++ cycle zs
                 | otherwise   = aux (sumaDivisoresPropios y) (y:ys)
          where us = reverse ys
                zs = dropWhile (/=y) us

-- 4ª definición
-- =============

sucAlicuota4 :: Integer -> [Integer]
sucAlicuota4 x = x : sucAlicuota4 (sumaDivisoresPropios4 x)

sumaDivisoresPropios4 :: Integer -> Integer
sumaDivisoresPropios4 x =
  sigma 1 x - x

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

--    λ> sucAlicuota 1184 !! (1+10^3)
--    1210
--    (2.02 secs, 261,081,688 bytes)
--    λ> sucAlicuota2 1184 !! (1+10^3)
--    1210
--    (2.02 secs, 245,485,568 bytes)
--    λ> sucAlicuota3 1184 !! (1+10^3)
--    1210
--    (0.02 secs, 0 bytes)
--    λ> sucAlicuota4 1184 !! (1+10^3)
--    1210
--    (0.05 secs, 0 bytes)

import Math.NumberTheory.ArithmeticFunctions (sigma)

-- 1ª definición

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

sucAlicuota :: Integer -> [Integer]

sucAlicuota x = x : sucAlicuota (sumaDivisoresPropios x)

sumaDivisoresPropios :: Integer -> Integer

sumaDivisoresPropios x =

sum [y | y <- [1..x-1], x `mod` y == 0]

-- 2ª definición

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

sucAlicuota2 :: Integer -> [Integer]

sucAlicuota2 = iterate (sum . divisoresPropios)

divisoresPropios :: Integer -> [Integer]

divisoresPropios x = [y | y <- [1..x-1], x `mod` y == 0]

-- 3ª definición

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

sucAlicuota3 :: Integer -> [Integer]

sucAlicuota3 x = aux x []

where aux y ys | y `elem` ys = us ++ cycle zs

| otherwise = aux (sumaDivisoresPropios y) (y:ys)

where us = reverse ys

zs = dropWhile (/=y) us

-- 4ª definición

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

sucAlicuota4 :: Integer -> [Integer]

sucAlicuota4 x = x : sucAlicuota4 (sumaDivisoresPropios4 x)

sumaDivisoresPropios4 :: Integer -> Integer

sumaDivisoresPropios4 x =

sigma 1 x - x

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> sucAlicuota 1184 !! (1+10^3)

-- 1210

-- (2.02 secs, 261,081,688 bytes)

-- λ> sucAlicuota2 1184 !! (1+10^3)

-- 1210

-- (2.02 secs, 245,485,568 bytes)

-- λ> sucAlicuota3 1184 !! (1+10^3)

-- 1210

-- (0.02 secs, 0 bytes)

-- λ> sucAlicuota4 1184 !! (1+10^3)

-- 1210

-- (0.05 secs, 0 bytes)

Cálculo de pi mediante la variante de Euler de la serie armónica

PorJosé A. Alonso 21-febrero-201726-marzo-2022

En el artículo El desarrollo más bello de Pi como suma infinita, Miguel Ángel Morales comenta el desarrollo de pi publicado por Leonhard Euler en su libro «Introductio in Analysis Infinitorum» (1748).

El desarrollo es el siguiente

y se obtiene a partir de la serie armónica

modificando sólo el signo de algunos términos según el siguiente criterio:

Dejamos un + cuando el denominador de la fracción sea un 2 o un primo de la forma 4m-1.
Cambiamos a – si el denominador de la fracción es un primo de la forma 4m+1.
Si el número es compuesto ponemos el signo que quede al multiplicar los signos correspondientes a cada factor.

Por ejemplo,

la de denominador 3 = 4×1-1 lleva un +,
la de denominador 5 = 4×1+1 lleva un -,
la de denominador 13 = 4×3+1 lleva un -,
la de denominador 6 = 2×3 lleva un + (porque los dos llevan un +),
la de denominador 10 = 2×5 lleva un – (porque el 2 lleva un + y el 5 lleva un -) y
la de denominador 50 = 5x5x2 lleva un + (un – por el primer 5, otro – por el segundo 5 y un + por el 2).

Definir las funciones

  aproximacionPi :: Int -> Double
  grafica        :: Int -> IO ()

1 2	aproximacionPi :: Int -> Double grafica :: Int -> IO ()

tales que

(aproximacionPi n) es la aproximación de pi obtenida sumando los n primeros términos de la serie de Euler. Por ejemplo.

     aproximacionPi 1        ==  1.0
     aproximacionPi 10       ==  2.3289682539682537
     aproximacionPi 100      ==  2.934318000847734
     aproximacionPi 1000     ==  3.0603246224585128
     aproximacionPi 10000    ==  3.1105295744825403
     aproximacionPi 100000   ==  3.134308801935256
     aproximacionPi 1000000  ==  3.1395057903490806

aproximacionPi 1 == 1.0

aproximacionPi 10 == 2.3289682539682537

aproximacionPi 100 == 2.934318000847734

aproximacionPi 1000 == 3.0603246224585128

aproximacionPi 10000 == 3.1105295744825403

aproximacionPi 100000 == 3.134308801935256

aproximacionPi 1000000 == 3.1395057903490806

(grafica n) dibuja la gráfica de las aproximaciones de pi usando k sumando donde k toma los valores de la lista [100,110..n]. Por ejemplo, al evaluar (grafica 4000) se obtiene

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Paula Macías.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Graphics.Gnuplot.Simple

-- 1ª definición
-- =============

aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n =
  sum [1 / fromIntegral (k * signo k) | k <- [1..n]] 

signoPrimo :: Int -> Int
signoPrimo 2 = 1
signoPrimo p | p `mod` 4 == 3 = 1
             | otherwise      = -1

signo :: Int -> Int
signo n | isPrime n = signoPrimo n
        | otherwise = product (map signoPrimo (primeFactors n))

-- 2ª definición
-- =============

aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 n = serieEuler !! (n-1)

serieEuler :: [Double]
serieEuler =
  scanl1 (+) [1 / fromIntegral (n * signo n) | n <- [1..]]

-- Definición de grafica
-- =====================

grafica :: Int -> IO ()
grafica n = 
    plotList [Key Nothing]
             [(k,aproximacionPi2 k) | k <- [100,110..n]]

import Data.Numbers.Primes

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- 1ª definición

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

aproximacionPi :: Int -> Double

aproximacionPi n =

sum [1 / fromIntegral (k * signo k) | k <- [1..n]]

signoPrimo :: Int -> Int

signoPrimo 2 = 1

signoPrimo p | p `mod` 4 == 3 = 1

| otherwise = -1

signo :: Int -> Int

signo n | isPrime n = signoPrimo n

| otherwise = product (map signoPrimo (primeFactors n))

-- 2ª definición

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

aproximacionPi2 :: Int -> Double

aproximacionPi2 n = serieEuler !! (n-1)

serieEuler :: [Double]

serieEuler =

scanl1 (+) [1 / fromIntegral (n * signo n) | n <- [1..]]

-- Definición de grafica

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

grafica :: Int -> IO ()

grafica n =

plotList [Key Nothing]

[(k,aproximacionPi2 k) | k <- [100,110..n]]

Máxima potencia que divide al factorial

PorJosé A. Alonso 26-enero-20172-febrero-2017

La máxima potencia de 2 que divide al factorial de 5 es 3, ya que 5! = 120, 120 es divisible por 2^3 y no lo es por 2^4.

Definir la función

   maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

1	maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

tal que (maxPotDivFact p n), para cada primo p, es el mayor k tal que p^k divide al factorial de n. Por ejemplo,

   maxPotDivFact 2 5       ==  3
   maxPotDivFact 3 6       ==  2
   maxPotDivFact 2 10      ==  8
   maxPotDivFact 3 10      ==  4
   maxPotDivFact 2 (10^2)  ==  97
   maxPotDivFact 2 (10^3)  ==  994
   maxPotDivFact 2 (10^4)  ==  9995
   maxPotDivFact 2 (10^5)  ==  99994
   maxPotDivFact 2 (10^6)  ==  999993
   maxPotDivFact 3 (10^5)  ==  49995
   maxPotDivFact 3 (10^6)  ==  499993
   maxPotDivFact 7 (10^5)  ==  16662
   maxPotDivFact 7 (10^6)  ==  166664
   length (show (maxPotDivFact 2 (10^20000)))  ==  20000

maxPotDivFact 2 5 == 3

maxPotDivFact 3 6 == 2

maxPotDivFact 2 10 == 8

maxPotDivFact 3 10 == 4

maxPotDivFact 2 (10^2) == 97

maxPotDivFact 2 (10^3) == 994

maxPotDivFact 2 (10^4) == 9995

maxPotDivFact 2 (10^5) == 99994

maxPotDivFact 2 (10^6) == 999993

maxPotDivFact 3 (10^5) == 49995

maxPotDivFact 3 (10^6) == 499993

maxPotDivFact 7 (10^5) == 16662

maxPotDivFact 7 (10^6) == 166664

length (show (maxPotDivFact 2 (10^20000))) == 20000

Soluciones

import Data.List (genericIndex, genericTake)
import Data.Numbers.Primes (primes)
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición
maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact p n =
  head [k | k <- [0..], f `mod` (p^k) /= 0] - 1
  where f = product [1..n]

-- 1ª definición
maxPotDivFact2 :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact2 p n
  | n < p     = 0
  | otherwise = m + maxPotDivFact2 p m
  where m = n `div` p  
  
-- 3ª definición
maxPotDivFact3 :: Integer -> Integer -> Integer
maxPotDivFact3 p = sum . takeWhile (> 0) . tail . iterate (`div` p)

-- Comparación de eficiencia
--    λ> maxPotDivFact 2 (10^4)
--    9995
--    (5.47 secs, 161,040,624 bytes)
--    λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)
--    9995
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)
--    9995
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--
--    λ> length (show (maxPotDivFact2 2 (10^20000)))
--    20000
--    (1.93 secs, 592,168,544 bytes)
--    λ> length (show (maxPotDivFact3 2 (10^20000)))
--    20000
--    (2.93 secs, 861,791,504 bytes)

import Data.List (genericIndex, genericTake)

import Data.Numbers.Primes (primes)

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición

maxPotDivFact :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact p n =

head [k | k <- [0..], f `mod` (p^k) /= 0] - 1

where f = product [1..n]

-- 1ª definición

maxPotDivFact2 :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact2 p n

| n < p = 0

| otherwise = m + maxPotDivFact2 p m

where m = n `div` p

-- 3ª definición

maxPotDivFact3 :: Integer -> Integer -> Integer

maxPotDivFact3 p = sum . takeWhile (> 0) . tail . iterate (`div` p)

-- Comparación de eficiencia

-- λ> maxPotDivFact 2 (10^4)

-- 9995

-- (5.47 secs, 161,040,624 bytes)

-- λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)

-- 9995

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> maxPotDivFact2 2 (10^4)

-- 9995

-- (0.01 secs, 0 bytes)

-- λ> length (show (maxPotDivFact2 2 (10^20000)))

-- 20000

-- (1.93 secs, 592,168,544 bytes)

-- λ> length (show (maxPotDivFact3 2 (10^20000)))

-- 20000

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