plotList

Números de Catalan

PorJosé A. Alonso 13-marzo-201726-marzo-2022

Los números de Catalan forman la sucesión cuyo término general es

Los primeros números de Catalan son

   1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786

1	1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, 1430, 4862, 16796, 58786

Los números de Catalan satisfacen la siguiente relación de recurrencia:

Asintóticamente, los números de Catalan crecen como:

considerando que el cociente entre el n-ésimo número de Catalan y la expresión de la derecha tiende hacia 1 cuando n tiende a infinito.

Definir las funciones

   catalan :: [Integer]
   grafica :: Int -> Int -> IO ()

1 2	catalan :: [Integer] grafica :: Int -> Int -> IO ()

tales que

catalan es la lista de términos de la sucesión de Catalan. Por ejemplo,

     λ> take 12 catalan
     [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786]
     λ> length (show (catalan !! 50000))
     30096

λ> take 12 catalan

[1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786]

λ> length (show (catalan !! 50000))

30096

(grafica a b) dibuja los n-ésimos términos de la sucesión de Catalan, para n entre a y b, junto con los de la expresión de la derecha de

Por ejemplo, (grafica 5 10) dibuja

y (grafica 55 60) dibuja

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple

catalan :: [Integer]
catalan = scanl (\c n -> c*2*(2*n-1) `div` (n+1)) 1 [1..]

grafica :: Int -> Int -> IO ()
grafica a b = 
  plotLists [Key Nothing]
            [[(fromIntegral n, fromIntegral (catalan !! n)) | n <- [a..b]]
            ,[(n,4**n/(n**(3/2)*(sqrt pi))) | n <- [c..d]]]
  where c, d :: Double
        c = fromIntegral a
        d = fromIntegral b

import Graphics.Gnuplot.Simple

catalan :: [Integer]

catalan = scanl (\c n -> c*2*(2*n-1) `div` (n+1)) 1 [1..]

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

grafica a b =

plotLists [Key Nothing]

[[(fromIntegral n, fromIntegral (catalan !! n)) | n <- [a..b]]

,[(n,4**n/(n**(3/2)*(sqrt pi))) | n <- [c..d]]]

where c, d :: Double

c = fromIntegral a

d = fromIntegral b

Cálculo de pi mediante el método de Newton

PorJosé A. Alonso 24-febrero-201725-abril-2021

El método de Newton para el cálculo de pi se basa en la relación

y en el desarrollo del arco seno

de donde se obtiene la fórmula

La primeras aproximaciones son

   a(0) = 6*(1/2)                               = 3.0
   a(1) = 6*(1/2+1/(2*3*2^3))                   = 3.125
   a(2) = 6*(1/2+1/(2*3*2^3)+(1*3)/(2*4*5*2^5)) = 3.1390625

a(0) = 6*(1/2) = 3.0

a(1) = 6*(1/2+1/(2*3*2^3)) = 3.125

a(2) = 6*(1/2+1/(2*3*2^3)+(1*3)/(2*4*5*2^5)) = 3.1390625

Definir las funciones

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

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

tales que

(aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi con la fórmula de Newton. Por ejemplo,

     aproximacionPi 0   ==  3.0
     aproximacionPi 1   ==  3.125
     aproximacionPi 2   ==  3.1390625
     aproximacionPi 10  ==  3.1415926468755613
     aproximacionPi 21  ==  3.141592653589793
     pi                 ==  3.141592653589793

aproximacionPi 0 == 3.0

aproximacionPi 1 == 3.125

aproximacionPi 2 == 3.1390625

aproximacionPi 10 == 3.1415926468755613

aproximacionPi 21 == 3.141592653589793

pi == 3.141592653589793

(grafica xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi donde k toma los valores de la lista xs. Por ejemplo, (grafica [1..30]) dibuja

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Manuel Herrera.

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- 1ª definición
-- =============

aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n = 6 * arcsinX
  where arcsinX = 0.5 + sum (take n factoresN)

factoresN :: [Double]
factoresN = zipWith (*) (potenciasK 3) fraccionesPI

potenciasK :: Double -> [Double]
potenciasK k = (0.5**k)/k : potenciasK (k+2)

fraccionesPI :: [Double]
fraccionesPI =
  scanl (*) (1/2) (tail (zipWith (/) [1,3..] [2,4..]))

-- 2ª definición
-- =============

aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 n = 6 * (serie !! n)

serie :: [Double]
serie = scanl1 (+) (zipWith (/)
                            (map fromIntegral numeradores)
                            (map fromIntegral denominadores))
  where numeradores    = 1 : scanl1 (*) [1,3..]
        denominadores  = zipWith (*) denominadores1 denominadores2
        denominadores1 = 2 : scanl1 (*) [2,4..]
        denominadores2 = 1 : [n * 2^n | n <- [3,5..]]

grafica :: [Int] -> IO ()
grafica xs = 
    plotList [Key Nothing]
             [(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- 1ª definición

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

aproximacionPi :: Int -> Double

aproximacionPi n = 6 * arcsinX

where arcsinX = 0.5 + sum (take n factoresN)

factoresN :: [Double]

factoresN = zipWith (*) (potenciasK 3) fraccionesPI

potenciasK :: Double -> [Double]

potenciasK k = (0.5**k)/k : potenciasK (k+2)

fraccionesPI :: [Double]

fraccionesPI =

scanl (*) (1/2) (tail (zipWith (/) [1,3..] [2,4..]))

-- 2ª definición

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

aproximacionPi2 :: Int -> Double

aproximacionPi2 n = 6 * (serie !! n)

serie :: [Double]

serie = scanl1 (+) (zipWith (/)

(map fromIntegral numeradores)

(map fromIntegral denominadores))

where numeradores = 1 : scanl1 (*) [1,3..]

denominadores = zipWith (*) denominadores1 denominadores2

denominadores1 = 2 : scanl1 (*) [2,4..]

denominadores2 = 1 : [n * 2^n | n <- [3,5..]]

grafica :: [Int] -> IO ()

grafica xs =

plotList [Key Nothing]

[(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

Cálculo de pi mediante la fracción continua de Lange

PorJosé A. Alonso 22-febrero-201726-marzo-2022

En 1999, L.J. Lange publicó el artículo An elegant new continued fraction for π.

En el primer teorema del artículo se demuestra la siguiente expresión de π mediante una fracción continua
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange$

La primeras aproximaciones son

   a(1) = 3+1                = 4.0
   a(2) = 3+(1/(6+9))        = 3.066666666666667
   a(3) = 3+(1/(6+9/(6+25))) = 3.158974358974359

a(1) = 3+1 = 4.0

a(2) = 3+(1/(6+9)) = 3.066666666666667

a(3) = 3+(1/(6+9/(6+25))) = 3.158974358974359

Definir las funciones

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

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

tales que

(aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi con la fracción continua de Lange. Por ejemplo,

     aproximacionPi 1     ==  4.0
     aproximacionPi 2     ==  3.066666666666667
     aproximacionPi 3     ==  3.158974358974359
     aproximacionPi 10    ==  3.141287132741557
     aproximacionPi 100   ==  3.141592398533554
     aproximacionPi 1000  ==  3.1415926533392926

aproximacionPi 1 == 4.0

aproximacionPi 2 == 3.066666666666667

aproximacionPi 3 == 3.158974358974359

aproximacionPi 10 == 3.141287132741557

aproximacionPi 100 == 3.141592398533554

aproximacionPi 1000 == 3.1415926533392926

(grafica xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi donde k toma los valores de la lista xs. Por ejemplo, (grafica [1..10]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_2$
(grafica [10..100]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_3$
y (grafica [100..200]) dibuja
$Calculo_de_pi_mediante_la_fraccion_continua_de_Lange_4$

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Antonio Morales.

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- fraccionPi es la representación de la fracción continua de pi como un
-- par de listas infinitas.
fraccionPi :: [(Integer, Integer)]
fraccionPi = zip (3 : [6,6..]) (map (^2) [1,3..])

-- (aproximacionFC n fc) es la n-ésima aproximación de la fracción
-- continua fc (como un par de listas).  
aproximacionFC :: Int -> [(Integer, Integer)] -> Double
aproximacionFC n =
  foldr (\(a,b) z -> fromIntegral a + fromIntegral b / z) 1 . take n

aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n =
  aproximacionFC n fraccionPi
 
grafica :: [Int] -> IO ()
grafica xs = 
    plotList [Key Nothing]
             [(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- fraccionPi es la representación de la fracción continua de pi como un

-- par de listas infinitas.

fraccionPi :: [(Integer, Integer)]

fraccionPi = zip (3 : [6,6..]) (map (^2) [1,3..])

-- (aproximacionFC n fc) es la n-ésima aproximación de la fracción

-- continua fc (como un par de listas).

aproximacionFC :: Int -> [(Integer, Integer)] -> Double

aproximacionFC n =

foldr (\(a,b) z -> fromIntegral a + fromIntegral b / z) 1 . take n

aproximacionPi :: Int -> Double

aproximacionPi n =

aproximacionFC n fraccionPi

grafica :: [Int] -> IO ()

grafica xs =

plotList [Key Nothing]

[(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

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]]

Números de Catalan

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