plotLists

Distancias entre primos consecutivos

PorJosé A. Alonso 4-abril-201711-abril-2017

Los 15 primeros números primos son

   2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47

1	2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47

Las distancias entre los elementos consecutivos son

   1, 2, 2, 4, 2,  4,  2,  4,  6,  2,  6,  4,  2,  4

1	1, 2, 2, 4, 2, 4, 2, 4, 6, 2, 6, 4, 2, 4

La distribución de las distancias es

   (1,1), (2,6), (4,5), (6,2)

1	(1,1), (2,6), (4,5), (6,2)

(es decir, el 1 aparece una vez, el 2 aparece 6 veces, etc.) La frecuencia de las distancias es

   (1,7.142857), (2,42.857143), (4,35.714287), (6,14.285714)

1	(1,7.142857), (2,42.857143), (4,35.714287), (6,14.285714)

(es decir, el 1 aparece el 7.142857%, el 2 el 42.857143% etc.)

Definir las funciones

  cuentaDistancias        :: Int -> [(Int,Int)]
  frecuenciasDistancias   :: Int -> [(Int,Float)]
  graficas                :: [Int] -> IO ()
  distanciasMasFrecuentes :: Int -> [Int]

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

frecuenciasDistancias :: Int -> [(Int,Float)]

graficas :: [Int] -> IO ()

distanciasMasFrecuentes :: Int -> [Int]

tales que

(cuentaDistancias n) es la distribución de distancias entre los n primeros primos consecutivos. Por ejemplo,

     λ> cuentaDistancias 15
     [(1,1),(2,6),(4,5),(6,2)]
     λ> cuentaDistancias 100
     [(1,1),(2,25),(4,26),(6,25),(8,7),(10,7),(12,4),(14,3),(18,1)]

λ> cuentaDistancias 15

[(1,1),(2,6),(4,5),(6,2)]

λ> cuentaDistancias 100

[(1,1),(2,25),(4,26),(6,25),(8,7),(10,7),(12,4),(14,3),(18,1)]

(frecuenciasDistancias n) es la frecuencia de distancias entre los n primeros primos consecutivos. Por ejemplo,

     λ> frecuenciasDistancias 15
     [(1,7.142857),(2,42.857143),(4,35.714287),(6,14.285714)]
     λ> frecuenciasDistancias 30
     [(1,3.4482758),(2,34.482758),(4,34.482758),(6,24.137932),(8,3.4482758)]

λ> frecuenciasDistancias 15

[(1,7.142857),(2,42.857143),(4,35.714287),(6,14.285714)]

λ> frecuenciasDistancias 30

[(1,3.4482758),(2,34.482758),(4,34.482758),(6,24.137932),(8,3.4482758)]

(graficas ns) dibuja las gráficas de (frecuenciasDistancias k) para k en ns. Por ejemplo, (graficas [10,20,30]) dibuja

(graficas [1000,2000,3000]) dibuja

y (graficas [100000,200000,300000]) dibuja
(distanciasMasFrecuentes n) es la lista de las distancias más frecuentes entre los elementos consecutivos de la lista de los n primeros primos. Por ejemplo,

     distanciasMasFrecuentes 15     ==  [2]
     distanciasMasFrecuentes 26     ==  [2,4]
     distanciasMasFrecuentes 32     ==  [4]
     distanciasMasFrecuentes 41     ==  [2,4,6]
     distanciasMasFrecuentes 77     ==  [6]
     distanciasMasFrecuentes 160    ==  [4,6]
     distanciasMasFrecuentes (10^6) == [6]

distanciasMasFrecuentes 15 == [2]

distanciasMasFrecuentes 26 == [2,4]

distanciasMasFrecuentes 32 == [4]

distanciasMasFrecuentes 41 == [2,4,6]

distanciasMasFrecuentes 77 == [6]

distanciasMasFrecuentes 160 == [4,6]

distanciasMasFrecuentes (10^6) == [6]

Comprobar con QuickCheck si para todo n > 160 se verifica que (distanciasMasFrecuentes n) es [6].

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import qualified Data.Map as M 
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Test.QuickCheck

cuentaDistancias :: Int -> [(Int,Int)]
cuentaDistancias = M.toList . dicDistancias

dicDistancias :: Int -> M.Map Int Int
dicDistancias n =
  M.fromListWith (+) (zip (distancias n) (repeat 1))

distancias :: Int -> [Int]
distancias n =
  zipWith (-) (tail xs) xs
  where xs = take n primes

frecuenciasDistancias :: Int -> [(Int,Float)]
frecuenciasDistancias n =
  [(k,(100 * fromIntegral x) / n1) | (k,x) <- cuentaDistancias n]
  where n1 = fromIntegral (n-1)

graficas :: [Int] -> IO ()
graficas ns =
  plotLists [Key Nothing]
            (map frecuenciasDistancias ns)

distanciasMasFrecuentes :: Int -> [Int]
distanciasMasFrecuentes n =
  M.keys (M.filter (==m) d)
  where d = dicDistancias n
        m = maximum (M.elems d)

-- La propiedad es
prop_distanciasMasFrecuentes :: Int -> Bool
prop_distanciasMasFrecuentes n =
  distanciasMasFrecuentes (161 + abs n) == [6]

import Data.Numbers.Primes

import qualified Data.Map as M

import Graphics.Gnuplot.Simple

import Test.QuickCheck

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

cuentaDistancias = M.toList . dicDistancias

dicDistancias :: Int -> M.Map Int Int

dicDistancias n =

M.fromListWith (+) (zip (distancias n) (repeat 1))

distancias :: Int -> [Int]

distancias n =

zipWith (-) (tail xs) xs

where xs = take n primes

frecuenciasDistancias :: Int -> [(Int,Float)]

frecuenciasDistancias n =

[(k,(100 * fromIntegral x) / n1) | (k,x) <- cuentaDistancias n]

where n1 = fromIntegral (n-1)

graficas :: [Int] -> IO ()

graficas ns =

plotLists [Key Nothing]

(map frecuenciasDistancias ns)

distanciasMasFrecuentes :: Int -> [Int]

distanciasMasFrecuentes n =

M.keys (M.filter (==m) d)

where d = dicDistancias n

m = maximum (M.elems d)

-- La propiedad es

prop_distanciasMasFrecuentes :: Int -> Bool

prop_distanciasMasFrecuentes n =

distanciasMasFrecuentes (161 + abs n) == [6]

Distribución de diferencias de dígitos consecutivos de pi

PorJosé A. Alonso 14-marzo-201725-abril-2021

La distribución de las diferencias de los dígitos consecutivos para los 18 primeros dígitos de pi se calcula como sigue: los primeros 18 dígitos de pi son

   3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3

1	3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3

Las diferencias de sus elementos consecutivos es

   2, -3, 3, -4, -4, 7, -4, 1, 2, -2, -3, -1, 2, -2, 6, 1, -1

1	2, -3, 3, -4, -4, 7, -4, 1, 2, -2, -3, -1, 2, -2, 6, 1, -1

y la distribución de sus frecuencias en el intervalo [-9,9] es

   0, 0, 0, 0, 0, 3, 2, 2, 2, 0, 2, 3, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0

1	0, 0, 0, 0, 0, 3, 2, 2, 2, 0, 2, 3, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0

es decir, el desde el -9 a -5 no aparecen, el -4 aparece 3 veces, el -2 aparece 2 veces y así sucesivamente.

Definir las funciones

   distribucionDDCpi :: Int -> [Int]
   graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

1 2	distribucionDDCpi :: Int -> [Int] graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

tales que

(distribucionDDCpi n) es la distribución de las diferencias de los dígitos consecutivos para los primeros n dígitos de pi. Por ejemplo,

   λ> distribucionDDCpi 18
   [0,0,0,0,0,3,2,2,2,0,2,3,1,0,0,1,1,0,0]
   λ> distribucionDDCpi 100
   [1,2,1,7,7,7,6,5,8,6,7,14,4,9,3,6,4,1,0]
   λ> distribucionDDCpi 200
   [3,6,2,13,14,12,11,12,15,17,15,19,11,17,8,13,9,2,0]
   λ> distribucionDDCpi 1000
   [16,25,23,44,57,61,55,75,92,98,80,88,64,65,42,54,39,14,8]
   λ> distribucionDDCpi 5000
   [67,99,130,196,245,314,361,391,453,468,447,407,377,304,242,221,134,97,47]

λ> distribucionDDCpi 18

[0,0,0,0,0,3,2,2,2,0,2,3,1,0,0,1,1,0,0]

λ> distribucionDDCpi 100

[1,2,1,7,7,7,6,5,8,6,7,14,4,9,3,6,4,1,0]

λ> distribucionDDCpi 200

[3,6,2,13,14,12,11,12,15,17,15,19,11,17,8,13,9,2,0]

λ> distribucionDDCpi 1000

[16,25,23,44,57,61,55,75,92,98,80,88,64,65,42,54,39,14,8]

λ> distribucionDDCpi 5000

[67,99,130,196,245,314,361,391,453,468,447,407,377,304,242,221,134,97,47]

(graficas ns f) dibuja en el fichero f las gráficas de las distribuciones de las diferencias de los dígitos consecutivos para los primeros n dígitos de pi, para n en ns. Por ejemplo, al evaluar (graficas [100,250..4000] «distribucionDDCpi.png» se escribe en el fichero «distribucionDDCpi.png» la siguiente gráfica

Nota: Se puede usar la librería Data.Number.CReal.

Soluciones

import Data.Number.CReal
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Data.Array

--    λ> digitosPi 18
--    [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3]
digitosPi :: Int -> [Int]
digitosPi n = init [read [c] | c <- (x:xs)]
  where (x:_:xs) = showCReal n pi

--    λ> diferenciasConsecutivos (digitosPi 18)
--    [2,-3,3,-4,-4,7,-4,1,2,-2,-3,-1,2,-2,6,1,-1]
diferenciasConsecutivos :: Num a => [a] -> [a]
diferenciasConsecutivos xs =
  zipWith (-) xs (tail xs)

distribucionDDCpi :: Int -> [Int]
distribucionDDCpi =
  distribucion . diferenciasConsecutivos . digitosPi
  where distribucion xs =
          elems (accumArray (+) 0 (-9,9) (zip xs (repeat 1)))

graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()
graficas ns f = 
  plotLists [Key Nothing, PNG f]
            [puntos n | n <- ns]
  where puntos :: Int -> [(Int,Int)]
        puntos n = zip [-9..9] (distribucionDDCpi n)

import Data.Number.CReal

import Graphics.Gnuplot.Simple

import Data.Array

-- λ> digitosPi 18

-- [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3]

digitosPi :: Int -> [Int]

digitosPi n = init [read [c] | c <- (x:xs)]

where (x:_:xs) = showCReal n pi

-- λ> diferenciasConsecutivos (digitosPi 18)

-- [2,-3,3,-4,-4,7,-4,1,2,-2,-3,-1,2,-2,6,1,-1]

diferenciasConsecutivos :: Num a => [a] -> [a]

diferenciasConsecutivos xs =

zipWith (-) xs (tail xs)

distribucionDDCpi :: Int -> [Int]

distribucionDDCpi =

distribucion . diferenciasConsecutivos . digitosPi

where distribucion xs =

elems (accumArray (+) 0 (-9,9) (zip xs (repeat 1)))

graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

graficas ns f =

plotLists [Key Nothing, PNG f]

[puntos n | n <- ns]

where puntos :: Int -> [(Int,Int)]

puntos n = zip [-9..9] (distribucionDDCpi n)

Cálculo de pi mediante los métodos de Gregory-Leibniz y de Beeler

PorJosé A. Alonso 23-febrero-201726-marzo-2022

La fórmula de Gregory-Leibniz para calcular pi es

y la de Beeler es

Definir las funciones

   aproximaPiGL     :: Int -> Double
   aproximaPiBeeler :: Int -> Double
   graficas         :: [Int] -> IO ()

aproximaPiGL :: Int -> Double

aproximaPiBeeler :: Int -> Double

graficas :: [Int] -> IO ()

tales que

(aproximaPiGL n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Gregory-Leibniz. Por ejemplo,

     aproximaPiGL 1       ==  4.0
     aproximaPiGL 2       ==  2.666666666666667
     aproximaPiGL 3       ==  3.466666666666667
     aproximaPiGL 10      ==  3.0418396189294032
     aproximaPiGL 100     ==  3.1315929035585537
     aproximaPiGL 1000    ==  3.140592653839794
     aproximaPiGL 10000   ==  3.1414926535900345
     aproximaPiGL 100000  ==  3.1415826535897198

aproximaPiGL 1 == 4.0

aproximaPiGL 2 == 2.666666666666667

aproximaPiGL 3 == 3.466666666666667

aproximaPiGL 10 == 3.0418396189294032

aproximaPiGL 100 == 3.1315929035585537

aproximaPiGL 1000 == 3.140592653839794

aproximaPiGL 10000 == 3.1414926535900345

aproximaPiGL 100000 == 3.1415826535897198

(aproximaPiBeeler n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Beeler. Por ejemplo,

     aproximaPiBeeler 1   ==  2.0
     aproximaPiBeeler 2   ==  2.6666666666666665
     aproximaPiBeeler 3   ==  2.933333333333333
     aproximaPiBeeler 10  ==  3.140578169680337
     aproximaPiBeeler 60  ==  3.141592653589793
     pi                   ==  3.141592653589793

aproximaPiBeeler 1 == 2.0

aproximaPiBeeler 2 == 2.6666666666666665

aproximaPiBeeler 3 == 2.933333333333333

aproximaPiBeeler 10 == 3.140578169680337

aproximaPiBeeler 60 == 3.141592653589793

pi == 3.141592653589793

(graficas xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi, donde k toma los valores de la lista xs, con las fórmulas de Gregory-Leibniz y de Beeler. Por ejemplo, (graficas [1..25]) dibuja

donde la línea morada corresponde a la aproximación de Gregory-Leibniz y la verde a la de Beeler.

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Enrique Naranjo.

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- Definiciones de aproximaPiGL
-- ============================

-- 1ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL :: Int -> Double
aproximaPiGL n = 4 * (sum . take n . sumaA . zipWith (/) [1,1..]) [1,3..]
  where sumaA (x:y:xs) = x:(-y):sumaA xs

-- 2ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL2 :: Int -> Double
aproximaPiGL2 n =
  4 * (sum (take n (zipWith (/) (cycle [1,-1]) [1,3..])))

-- 3ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL3 :: Int -> Double
aproximaPiGL3 n =
  4 * (sum . take n . zipWith (/) (cycle [1,-1])) [1,3..]

-- 4ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL4 :: Int -> Double
aproximaPiGL4 n = serieGL !! (n-1)

serieGL :: [Double]
serieGL = scanl1 (+) (zipWith (/) numeradores denominadores)
  where numeradores   = cycle [4,-4]
        denominadores = [1,3..]

-- Definición de aproximaPiBeeler
aproximaPiBeeler :: Int -> Double
aproximaPiBeeler n = 2 * aux (fromIntegral n) 1
  where
    aux :: Double -> Double -> Double 
    aux n k | n == k    = 1
            | otherwise = 1 + (k/(2*k+1)) * aux n (1+k)

-- Definición de graficas
graficas :: [Int] -> IO ()
graficas xs = 
    plotLists [Key Nothing]
             [[(k,aproximaPiGL k)     | k <- xs],
              [(k,aproximaPiBeeler k) | k <- xs]]

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- Definiciones de aproximaPiGL

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

-- 1ª definición de aproximaPiGL

aproximaPiGL :: Int -> Double

aproximaPiGL n = 4 * (sum . take n . sumaA . zipWith (/) [1,1..]) [1,3..]

where sumaA (x:y:xs) = x:(-y):sumaA xs

-- 2ª definición de aproximaPiGL

aproximaPiGL2 :: Int -> Double

aproximaPiGL2 n =

4 * (sum (take n (zipWith (/) (cycle [1,-1]) [1,3..])))

-- 3ª definición de aproximaPiGL

aproximaPiGL3 :: Int -> Double

aproximaPiGL3 n =

4 * (sum . take n . zipWith (/) (cycle [1,-1])) [1,3..]

-- 4ª definición de aproximaPiGL

aproximaPiGL4 :: Int -> Double

aproximaPiGL4 n = serieGL !! (n-1)

serieGL :: [Double]

serieGL = scanl1 (+) (zipWith (/) numeradores denominadores)

where numeradores = cycle [4,-4]

denominadores = [1,3..]

-- Definición de aproximaPiBeeler

aproximaPiBeeler :: Int -> Double

aproximaPiBeeler n = 2 * aux (fromIntegral n) 1

where

aux :: Double -> Double -> Double

aux n k | n == k = 1

| otherwise = 1 + (k/(2*k+1)) * aux n (1+k)

-- Definición de graficas

graficas :: [Int] -> IO ()

graficas xs =

plotLists [Key Nothing]

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

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

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