primes

El teorema de Navidad de Fermat

PorJosé A. Alonso 20-diciembre-201927-diciembre-2019

El 25 de diciembre de 1640, en una carta a Mersenne, Fermat demostró la conjetura de Girard: todo primo de la forma 4n+1 puede expresarse de manera única como suma de dos cuadrados. Por eso es conocido como el Teorema de Navidad de Fermat.

Definir las funciones

   representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
   primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]
   primos4nM1 :: [Integer]

representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]

primos4nM1 :: [Integer]

tales que

(representaciones n) es la lista de pares de números naturales (x,y) tales que n = x^2 + y^2 con x <= y. Por ejemplo,

     representaciones  20           ==  [(2,4)]
     representaciones  25           ==  [(0,5),(3,4)]
     representaciones 325           ==  [(1,18),(6,17),(10,15)]
     representaciones 100000147984  ==  [(0,316228)]
     length (representaciones (10^10))    ==  6
     length (representaciones (4*10^12))  ==  7

representaciones 20 == [(2,4)]

representaciones 25 == [(0,5),(3,4)]

representaciones 325 == [(1,18),(6,17),(10,15)]

representaciones 100000147984 == [(0,316228)]

length (representaciones (10^10)) == 6

length (representaciones (4*10^12)) == 7

primosImparesConRepresentacionUnica es la lista de los números primos impares que se pueden escribir exactamente de una manera como suma de cuadrados de pares de números naturales (x,y) con x <= y. Por ejemplo,

     λ> take 20 primosImparesConRepresentacionUnica
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

1 2	λ> take 20 primosImparesConRepresentacionUnica [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

primos4nM1 es la lista de los números primos que se pueden escribir como uno más un múltiplo de 4 (es decir, que son congruentes con 1 módulo 4). Por ejemplo,

     λ> take 20 primos4nM1
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

1 2	λ> take 20 primos4nM1 [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

El teorema de Navidad de Fermat afirma que un número primo impar p se puede escribir exactamente de una manera como suma de dos cuadrados de números naturales p = x² + y^2 (con x <= y) si, y sólo si, p se puede escribir como uno más un múltiplo de 4 (es decir, que es congruente con 1 módulo 4).

Comprobar con QuickCheck el teorema de Navidad de Fermat; es decir, que para todo número n, los n-ésimos elementos de primosImparesConRepresentacionUnica y de primos4nM1 son iguales.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones n =
  [(x,y) | x <- [0..n], y <- [x..n], n == x*x + y*y]

-- 2ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones2 n =
  [(x,raiz z) | x <- [0..raiz (n `div` 2)] 
              , let z = n - x*x
              , esCuadrado z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = x == y * y
  where y = raiz x

-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz 25  ==  5
--    raiz 24  ==  4
--    raiz 26  ==  5
raiz :: Integer -> Integer 
raiz 0 = 0
raiz 1 = 1
raiz x = aux (0,x)
    where aux (a,b) | d == x    = c
                    | c == a    = a
                    | d < x     = aux (c,b)
                    | otherwise = aux (a,c) 
              where c = (a+b) `div` 2
                    d = c^2

-- 3ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones3 n =
  [(x,raiz3 z) | x <- [0..raiz3 (n `div` 2)] 
               , let z = n - x*x
               , esCuadrado3 z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado3 25  ==  True
--    esCuadrado3 26  ==  False
esCuadrado3 :: Integer -> Bool
esCuadrado3 x = x == y * y
  where y = raiz3 x

-- (raiz3 x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz3 25  ==  5
--    raiz3 24  ==  4
--    raiz3 26  ==  5
raiz3 :: Integer -> Integer
raiz3 x = floor (sqrt (fromIntegral x))
          
-- 4ª definición de representaciones
-- =================================
 
representaciones4 :: Integer -> [(Integer, Integer)]
representaciones4 n = aux 0 (floor (sqrt (fromIntegral n)))
  where aux x y
          | x > y     = [] 
          | otherwise = case compare (x*x + y*y) n of
                          LT -> aux (x + 1) y
                          EQ -> (x, y) : aux (x + 1) (y - 1)
                          GT -> aux x (y - 1)

-- Equivalencia de las definiciones de representaciones
-- ====================================================

-- La propiedad es
prop_representaciones_equiv :: (Positive Integer) -> Bool
prop_representaciones_equiv (Positive n) =
  representaciones  n == representaciones2 n &&
  representaciones2 n == representaciones3 n &&
  representaciones3 n == representaciones4 n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_representaciones_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia de las definiciones de representaciones
-- =================================================================

--    λ> representaciones 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (2.86 secs, 1,393,133,528 bytes)
--    λ> representaciones2 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 867,944 bytes)
--    λ> representaciones3 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 173,512 bytes)
--    λ> representaciones4 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 423,424 bytes)
--    
--    λ> length (representaciones2 (10^10))
--    6
--    (3.38 secs, 2,188,903,544 bytes)
--    λ> length (representaciones3 (10^10))
--    6
--    (0.10 secs, 62,349,048 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (10^10))
--    6
--    (0.11 secs, 48,052,360 bytes)
--
--    λ> length (representaciones3 (4*10^12))
--    7
--    (1.85 secs, 1,222,007,176 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (4*10^12))
--    7
--    (1.79 secs, 953,497,480 bytes)

-- Definición de primosImparesConRepresentacionUnica
-- =================================================

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]
primosImparesConRepresentacionUnica =
  [x | x <- tail primes
     , length (representaciones4 x) == 1]

-- Definición de primos4nM1
-- ========================

primos4nM1 :: [Integer]
primos4nM1 = [x | x <- primes
                , x `mod` 4 == 1]

-- Teorema de Navidad de Fermat
-- ============================

-- La propiedad es
prop_teoremaDeNavidadDeFermat :: Positive Int -> Bool
prop_teoremaDeNavidadDeFermat (Positive n) =
  primosImparesConRepresentacionUnica !! n == primos4nM1 !! n
             
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_teoremaDeNavidadDeFermat
--    +++ OK, passed 100 tests.

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import Data.Numbers.Primes (primes)

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de representaciones

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

representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones n =

[(x,y) | x <- [0..n], y <- [x..n], n == x*x + y*y]

-- 2ª definición de representaciones

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

representaciones2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones2 n =

[(x,raiz z) | x <- [0..raiz (n `div` 2)]

, let z = n - x*x

, esCuadrado z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Integer -> Bool

esCuadrado x = x == y * y

where y = raiz x

-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,

-- raiz 25 == 5

-- raiz 24 == 4

-- raiz 26 == 5

raiz :: Integer -> Integer

raiz 0 = 0

raiz 1 = 1

raiz x = aux (0,x)

where aux (a,b) | d == x = c

| c == a = a

| d < x = aux (c,b)

| otherwise = aux (a,c)

where c = (a+b) `div` 2

d = c^2

-- 3ª definición de representaciones

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

representaciones3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones3 n =

[(x,raiz3 z) | x <- [0..raiz3 (n `div` 2)]

, let z = n - x*x

, esCuadrado3 z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado3 25 == True

-- esCuadrado3 26 == False

esCuadrado3 :: Integer -> Bool

esCuadrado3 x = x == y * y

where y = raiz3 x

-- (raiz3 x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,

-- raiz3 25 == 5

-- raiz3 24 == 4

-- raiz3 26 == 5

raiz3 :: Integer -> Integer

raiz3 x = floor (sqrt (fromIntegral x))

-- 4ª definición de representaciones

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

representaciones4 :: Integer -> [(Integer, Integer)]

representaciones4 n = aux 0 (floor (sqrt (fromIntegral n)))

where aux x y

| x > y = []

| otherwise = case compare (x*x + y*y) n of

LT -> aux (x + 1) y

EQ -> (x, y) : aux (x + 1) (y - 1)

GT -> aux x (y - 1)

-- Equivalencia de las definiciones de representaciones

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

-- La propiedad es

prop_representaciones_equiv :: (Positive Integer) -> Bool

prop_representaciones_equiv (Positive n) =

representaciones n == representaciones2 n &&

representaciones2 n == representaciones3 n &&

representaciones3 n == representaciones4 n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_representaciones_equiv

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia de las definiciones de representaciones

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

-- λ> representaciones 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (2.86 secs, 1,393,133,528 bytes)

-- λ> representaciones2 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 867,944 bytes)

-- λ> representaciones3 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 173,512 bytes)

-- λ> representaciones4 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 423,424 bytes)

-- λ> length (representaciones2 (10^10))

-- 6

-- (3.38 secs, 2,188,903,544 bytes)

-- λ> length (representaciones3 (10^10))

-- 6

-- (0.10 secs, 62,349,048 bytes)

-- λ> length (representaciones4 (10^10))

-- 6

-- (0.11 secs, 48,052,360 bytes)

-- λ> length (representaciones3 (4*10^12))

-- 7

-- (1.85 secs, 1,222,007,176 bytes)

-- λ> length (representaciones4 (4*10^12))

-- 7

-- (1.79 secs, 953,497,480 bytes)

-- Definición de primosImparesConRepresentacionUnica

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

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]

primosImparesConRepresentacionUnica =

[x | x <- tail primes

, length (representaciones4 x) == 1]

-- Definición de primos4nM1

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

primos4nM1 :: [Integer]

primos4nM1 = [x | x <- primes

, x `mod` 4 == 1]

-- Teorema de Navidad de Fermat

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

-- La propiedad es

prop_teoremaDeNavidadDeFermat :: Positive Int -> Bool

prop_teoremaDeNavidadDeFermat (Positive n) =

primosImparesConRepresentacionUnica !! n == primos4nM1 !! n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_teoremaDeNavidadDeFermat

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Dijo Dios: brote la nada
Y alzó su mano derecha,
hasta ocultar su mirada.
Y quedó la nada hecha.

Antonio Machado

Suma de primos menores

PorJosé A. Alonso 9-diciembre-201917-diciembre-2019

La suma de los primos menores que 10 es 2 + 3 + 5 + 7 = 17.

Definir la función

   sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer

1	sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer

tal que (sumaPrimosMenores n) es la suma de los primos menores que n. Por ejemplo,

   sumaPrimosMenores 10        ==  17
   sumaPrimosMenores (5*10^5)  ==  9914236195

1 2	sumaPrimosMenores 10 == 17 sumaPrimosMenores (5*10^5) == 9914236195

Nota: Este ejercicio está basado en el problema 10 del Proyecto Euler

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)

-- 1ª solución
-- ===========

sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores n = sum (takeWhile (<n) primos)

-- primos es la lista de los números primos. Por ejemplo,
--    λ> take 12 primos
--    [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37]
primos :: [Integer]
primos = 2 : filter esPrimo [3,5..]

esPrimo :: Integer -> Bool
esPrimo n = null [x | x <- [2..(ceiling . sqrt . fromIntegral) n]
                    , n `mod` x == 0]

-- 2ª solución
-- ===========

sumaPrimosMenores2 :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores2 n = sum (takeWhile (<n) primos2)

primos2 :: [Integer]
primos2 = 2 : filter esPrimo2 [3,5..]
 
esPrimo2 :: Integer -> Bool
esPrimo2 x =
  all ((/= 0) . mod x)
  (takeWhile (<= floor (sqrt (fromIntegral x))) primos2)

-- 3ª solución
-- ===========

sumaPrimosMenores3 :: Integer -> Integer
sumaPrimosMenores3 n = sum (takeWhile (<n) primes)

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

--    λ> sumaPrimosMenores (2*10^5)
--    1709600813
--    (2.56 secs, 1,522,015,240 bytes)
--    λ> sumaPrimosMenores2 (2*10^5)
--    1709600813
--    (0.56 secs, 376,951,456 bytes)
--    λ> sumaPrimosMenores3 (2*10^5)
--    1709600813
--    (0.07 secs, 62,321,888 bytes)

import Data.Numbers.Primes (primes)

-- 1ª solución

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

sumaPrimosMenores :: Integer -> Integer

sumaPrimosMenores n = sum (takeWhile (<n) primos)

-- primos es la lista de los números primos. Por ejemplo,

-- λ> take 12 primos

-- [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37]

primos :: [Integer]

primos = 2 : filter esPrimo [3,5..]

esPrimo :: Integer -> Bool

esPrimo n = null [x | x <- [2..(ceiling . sqrt . fromIntegral) n]

, n `mod` x == 0]

-- 2ª solución

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

sumaPrimosMenores2 :: Integer -> Integer

sumaPrimosMenores2 n = sum (takeWhile (<n) primos2)

primos2 :: [Integer]

primos2 = 2 : filter esPrimo2 [3,5..]

esPrimo2 :: Integer -> Bool

esPrimo2 x =

all ((/= 0) . mod x)

(takeWhile (<= floor (sqrt (fromIntegral x))) primos2)

-- 3ª solución

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

sumaPrimosMenores3 :: Integer -> Integer

sumaPrimosMenores3 n = sum (takeWhile (<n) primes)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> sumaPrimosMenores (2*10^5)

-- 1709600813

-- (2.56 secs, 1,522,015,240 bytes)

-- λ> sumaPrimosMenores2 (2*10^5)

-- 1709600813

-- (0.56 secs, 376,951,456 bytes)

-- λ> sumaPrimosMenores3 (2*10^5)

-- 1709600813

-- (0.07 secs, 62,321,888 bytes)

Pensamiento

El movimiento no es nada esencial. La fuerza puede ser inmóvil (lo es en su estado de pureza); mas no por ello deja de ser activa.

Antonio Machado

Primos o cuadrados de primos

PorJosé A. Alonso 6-diciembre-201917-diciembre-2019

Definir la constante

   primosOcuadradosDePrimos :: [Integer]

1	primosOcuadradosDePrimos :: [Integer]

cuyos elementos son los número primos o cuadrados de primos. Por ejemplo,

   λ> take 20 primosOcuadradosDePrimos
   [2,3,4,5,7,9,11,13,17,19,23,25,29,31,37,41,43,47,49,53]
   λ> primosOcuadradosDePrimos !! (10^6)
   15476729

λ> take 20 primosOcuadradosDePrimos

[2,3,4,5,7,9,11,13,17,19,23,25,29,31,37,41,43,47,49,53]

λ> primosOcuadradosDePrimos !! (10^6)

15476729

Comprobar con QuickCheck que las lista primosOcuadradosDePrimos y unifactorizables (definida en el ejercicio anterior) son iguales.

Soluciones

import Test.QuickCheck
import Data.Numbers.Primes (primeFactors, primes)

-- 1ª solución
-- ===========

primosOcuadradosDePrimos :: [Integer]
primosOcuadradosDePrimos =
  filter esPrimoOcuadradoDePrimo [2..]

esPrimoOcuadradoDePrimo :: Integer -> Bool
esPrimoOcuadradoDePrimo n = aux xs
  where xs = primeFactors n
        aux [_]   = True
        aux [x,y] = x == y
        aux _     = False

-- 2ª solución
-- ===========
  
primosOcuadradosDePrimos2 :: [Integer]
primosOcuadradosDePrimos2 = mezcla primes (map (^2) primes)

mezcla :: Ord a => [a] -> [a] -> [a]
mezcla (x:xs) (y:ys) | x < y     = x : mezcla xs (y:ys)
                     | otherwise = y : mezcla (x:xs) ys

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

--    λ> primosOcuadradosDePrimos !! (2*10^4)
--    223589
--    (3.08 secs, 9,829,725,096 bytes)
--    λ> primosOcuadradosDePrimos2 !! (2*10^4)
--    223589
--    (0.04 secs, 73,751,888 bytes)
--
--    λ> primosOcuadradosDePrimos2 !! (5*10^5)
--    7362497
--    (1.29 secs, 3,192,803,040 bytes)

-- Propiedad de equivalencia
-- =========================

-- La propiedad es
prop_equivalencia :: Int -> Property
prop_equivalencia n =
  n >= 0 ==> primosOcuadradosDePrimos2 !! n == unifactorizables !! n

--  unifactorizables es la lísta de los números enteros mayores que 1
--  que se pueden escribir sólo de una forma única como producto de
--  enteros distintos mayores que uno. Por ejemplo,
--     λ> take 20 unifactorizables
--     [2,3,4,5,7,9,11,13,17,19,23,25,29,31,37,41,43,47,49,53]
--     λ> unifactorizables !! 300
--     1873
unifactorizables :: [Integer]
unifactorizables =
  [n | n <- [2..]
     , length (sublistasConProducto n [2..n]) == 1]

-- (sublistasConProducto n xs) es la lista de las sublistas de la
-- lista ordenada estrictamente creciente xs (cuyos elementos son
-- enteros mayores que 1) cuyo producto es el número entero n (con n
-- mayor que 1). Por ejemplo,  
--    λ> sublistasConProducto 72 [2,3,4,5,6,7,9,10,16]
--    [[2,4,9],[3,4,6]]
--    λ> sublistasConProducto 720 [2,3,4,5,6,7,9,10,16]
--    [[2,3,4,5,6],[2,4,9,10],[3,4,6,10],[5,9,16]]
--    λ> sublistasConProducto 2 [4,7]
--    []
sublistasConProducto :: Integer -> [Integer] -> [[Integer]]
sublistasConProducto _ [] = []
sublistasConProducto n (x:xs)
  | x > n     = []
  | x == n    = [[x]]
  | r == 0    = map (x:) (sublistasConProducto q xs)
                ++ sublistasConProducto n xs
  | otherwise = sublistasConProducto n xs
  where (q,r) = quotRem n x

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_equivalencia
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Test.QuickCheck

import Data.Numbers.Primes (primeFactors, primes)

-- 1ª solución

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

primosOcuadradosDePrimos :: [Integer]

primosOcuadradosDePrimos =

filter esPrimoOcuadradoDePrimo [2..]

esPrimoOcuadradoDePrimo :: Integer -> Bool

esPrimoOcuadradoDePrimo n = aux xs

where xs = primeFactors n

aux [_] = True

aux [x,y] = x == y

aux _ = False

-- 2ª solución

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

primosOcuadradosDePrimos2 :: [Integer]

primosOcuadradosDePrimos2 = mezcla primes (map (^2) primes)

mezcla :: Ord a => [a] -> [a] -> [a]

mezcla (x:xs) (y:ys) | x < y = x : mezcla xs (y:ys)

| otherwise = y : mezcla (x:xs) ys

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> primosOcuadradosDePrimos !! (2*10^4)

-- 223589

-- (3.08 secs, 9,829,725,096 bytes)

-- λ> primosOcuadradosDePrimos2 !! (2*10^4)

-- 223589

-- (0.04 secs, 73,751,888 bytes)

-- λ> primosOcuadradosDePrimos2 !! (5*10^5)

-- 7362497

-- (1.29 secs, 3,192,803,040 bytes)

-- Propiedad de equivalencia

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

-- La propiedad es

prop_equivalencia :: Int -> Property

prop_equivalencia n =

n >= 0 ==> primosOcuadradosDePrimos2 !! n == unifactorizables !! n

-- unifactorizables es la lísta de los números enteros mayores que 1

-- que se pueden escribir sólo de una forma única como producto de

-- enteros distintos mayores que uno. Por ejemplo,

-- λ> take 20 unifactorizables

-- [2,3,4,5,7,9,11,13,17,19,23,25,29,31,37,41,43,47,49,53]

-- λ> unifactorizables !! 300

-- 1873

unifactorizables :: [Integer]

unifactorizables =

[n | n <- [2..]

, length (sublistasConProducto n [2..n]) == 1]

-- (sublistasConProducto n xs) es la lista de las sublistas de la

-- lista ordenada estrictamente creciente xs (cuyos elementos son

-- enteros mayores que 1) cuyo producto es el número entero n (con n

-- mayor que 1). Por ejemplo,

-- λ> sublistasConProducto 72 [2,3,4,5,6,7,9,10,16]

-- [[2,4,9],[3,4,6]]

-- λ> sublistasConProducto 720 [2,3,4,5,6,7,9,10,16]

-- [[2,3,4,5,6],[2,4,9,10],[3,4,6,10],[5,9,16]]

-- λ> sublistasConProducto 2 [4,7]

-- []

sublistasConProducto :: Integer -> [Integer] -> [[Integer]]

sublistasConProducto _ [] = []

sublistasConProducto n (x:xs)

| x > n = []

| x == n = [[x]]

| r == 0 = map (x:) (sublistasConProducto q xs)

++ sublistasConProducto n xs

| otherwise = sublistasConProducto n xs

where (q,r) = quotRem n x

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_equivalencia

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Despacito y buena letra: el hacer las cosas bien importa más que el hacerlas.

Antonio Machado

Variación de la conjetura de Goldbach.

PorJosé A. Alonso 11-abril-201925-abril-2021

La conjetura de Goldbach afirma que

Todo número entero mayor que 5 se puede escribir como suma de tres números primos.

En este ejercicio consideraremos la variación consistente en exigir que los tres sumandos sean distintos.

Definir las funciones

   sumas3PrimosDistintos      :: Int -> [(Int,Int,Int)]
   conKsumas3PrimosDistintos  :: Int -> Int -> [Int]
   noSonSumas3PrimosDistintos :: Int -> [Int]

sumas3PrimosDistintos :: Int -> [(Int,Int,Int)]

conKsumas3PrimosDistintos :: Int -> Int -> [Int]

noSonSumas3PrimosDistintos :: Int -> [Int]

tales que

(sumas3PrimosDistintos n) es la lista de las descomposiciones decrecientes de n como tres primos distintos. Por ejemplo,

   sumas3PrimosDistintos 26  ==  [(13,11,2),(17,7,2),(19,5,2)]
   sumas3PrimosDistintos 18  ==  [(11,5,2),(13,3,2)]
   sumas3PrimosDistintos 10  ==  [(5,3,2)]
   sumas3PrimosDistintos 11  ==  []

sumas3PrimosDistintos 26 == [(13,11,2),(17,7,2),(19,5,2)]

sumas3PrimosDistintos 18 == [(11,5,2),(13,3,2)]

sumas3PrimosDistintos 10 == [(5,3,2)]

sumas3PrimosDistintos 11 == []

(conKsumas3PrimosDistintos k n) es la lista de los números menores o iguales que n que se pueden escribir en k forma distintas como suma de tres primos distintos. Por ejemplo,

   conKsumas3PrimosDistintos 3 99  ==  [26,27,29,32,36,42,46,48,54,58,60]
   conKsumas3PrimosDistintos 2 99  ==  [18,20,21,22,23,24,25,28,30,34,64,70]
   conKsumas3PrimosDistintos 1 99  ==  [10,12,14,15,16,19,40]
   conKsumas3PrimosDistintos 0 99  ==  [11,13,17]

conKsumas3PrimosDistintos 3 99 == [26,27,29,32,36,42,46,48,54,58,60]

conKsumas3PrimosDistintos 2 99 == [18,20,21,22,23,24,25,28,30,34,64,70]

conKsumas3PrimosDistintos 1 99 == [10,12,14,15,16,19,40]

conKsumas3PrimosDistintos 0 99 == [11,13,17]

(noSonSumas3PrimosDistintos n) es la lista de los números menores o iguales que n que no se pueden escribir como suma de tres primos distintos. Por ejemplo,

   noSonSumas3PrimosDistintos 99   ==  [11,13,17]
   noSonSumas3PrimosDistintos 500  ==  [11,13,17]

1 2	noSonSumas3PrimosDistintos 99 == [11,13,17] noSonSumas3PrimosDistintos 500 == [11,13,17]

Soluciones

import Data.Numbers.Primes

sumas3PrimosDistintos :: Int -> [(Int,Int,Int)]
sumas3PrimosDistintos n =
  [(a,b,c) | a <- takeWhile (<=n-5) primes
           , b <- takeWhile (<a) primes
           , let c = n - a - b
           , c < b
           , isPrime c]

conKsumas3PrimosDistintos :: Int -> Int -> [Int]
conKsumas3PrimosDistintos k n =
  [x | x <- [10..n]
     , length (sumas3PrimosDistintos x) == k]

noSonSumas3PrimosDistintos :: Int -> [Int]
noSonSumas3PrimosDistintos = conKsumas3PrimosDistintos 0

import Data.Numbers.Primes

sumas3PrimosDistintos :: Int -> [(Int,Int,Int)]

sumas3PrimosDistintos n =

[(a,b,c) | a <- takeWhile (<=n-5) primes

, b <- takeWhile (<a) primes

, let c = n - a - b

, c < b

, isPrime c]

conKsumas3PrimosDistintos :: Int -> Int -> [Int]

conKsumas3PrimosDistintos k n =

[x | x <- [10..n]

, length (sumas3PrimosDistintos x) == k]

noSonSumas3PrimosDistintos :: Int -> [Int]

noSonSumas3PrimosDistintos = conKsumas3PrimosDistintos 0

Pensamiento

En su claro verso
se canta y medita
sin grito ni ceño.

Antonio Machado

El teorema de Navidad de Fermat

PorJosé A. Alonso 31-diciembre-201825-abril-2021

Definir las funciones

   representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
   primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]
   primos4nM1 :: [Integer]

representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]

primos4nM1 :: [Integer]

tales que

(representaciones n) es la lista de pares de números naturales (x,y) tales que n = x^2 + y^2 con x <= y. Por ejemplo.

     representaciones  20           ==  [(2,4)]
     representaciones  25           ==  [(0,5),(3,4)]
     representaciones 325           ==  [(1,18),(6,17),(10,15)]
     representaciones 100000147984  ==  [(0,316228)]
     length (representaciones (10^10))    ==  6
     length (representaciones (4*10^12))  ==  7

representaciones 20 == [(2,4)]

representaciones 25 == [(0,5),(3,4)]

representaciones 325 == [(1,18),(6,17),(10,15)]

representaciones 100000147984 == [(0,316228)]

length (representaciones (10^10)) == 6

length (representaciones (4*10^12)) == 7

primosImparesConRepresentacionUnica es la lista de los números primos impares que se pueden escribir exactamente de una manera como suma de cuadrados de pares de números naturales (x,y) con x <= y. Por ejemplo,

     λ> take 20 primosImparesConRepresentacionUnica
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

1 2	λ> take 20 primosImparesConRepresentacionUnica [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

primos4nM1 es la lista de los números primos que se pueden escribir como uno más un múltiplo de 4 (es decir, que son congruentes con 1 módulo 4). Por ejemplo,

     λ> take 20 primos4nM1
     [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

1 2	λ> take 20 primos4nM1 [5,13,17,29,37,41,53,61,73,89,97,101,109,113,137,149,157,173,181,193]

Comprobar con QuickCheck el torema de Navidad de Fermat; es decir, que para todo número n, los n-ésimos elementos de primosImparesConRepresentacionUnica y de primos4nM1 son iguales.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primes)
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones n =
  [(x,y) | x <- [0..n], y <- [x..n], n == x*x + y*y]

-- 2ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones2 n =
  [(x,raiz z) | x <- [0..raiz (n `div` 2)] 
              , let z = n - x*x
              , esCuadrado z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = x == y * y
  where y = raiz x

-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz 25  ==  5
--    raiz 24  ==  4
--    raiz 26  ==  5
raiz :: Integer -> Integer 
raiz 0 = 0
raiz 1 = 1
raiz x = aux (0,x)
    where aux (a,b) | d == x    = c
                    | c == a    = a
                    | d < x     = aux (c,b)
                    | otherwise = aux (a,c) 
              where c = (a+b) `div` 2
                    d = c^2

-- 3ª definición de representaciones
-- =================================

representaciones3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]
representaciones3 n =
  [(x,raiz3 z) | x <- [0..raiz3 (n `div` 2)] 
               , let z = n - x*x
               , esCuadrado3 z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado3 25  ==  True
--    esCuadrado3 26  ==  False
esCuadrado3 :: Integer -> Bool
esCuadrado3 x = x == y * y
  where y = raiz3 x

-- (raiz3 x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,
--    raiz3 25  ==  5
--    raiz3 24  ==  4
--    raiz3 26  ==  5
raiz3 :: Integer -> Integer
raiz3 x = floor (sqrt (fromIntegral x))
          
-- 4ª definición de representaciones
-- =================================
 
representaciones4 :: Integer -> [(Integer, Integer)]
representaciones4 n = aux 0 (floor (sqrt (fromIntegral n)))
  where aux x y
          | x > y     = [] 
          | otherwise = case compare (x*x + y*y) n of
                          LT -> aux (x + 1) y
                          EQ -> (x, y) : aux (x + 1) (y - 1)
                          GT -> aux x (y - 1)

-- Equivalencia de las definiciones de representaciones
-- ====================================================

-- La propiedad es
prop_representaciones_equiv :: (Positive Integer) -> Bool
prop_representaciones_equiv (Positive n) =
  representaciones  n == representaciones2 n &&
  representaciones2 n == representaciones3 n &&
  representaciones3 n == representaciones4 n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_representaciones_equiv
--    +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia de las definiciones de representaciones
-- =================================================================

--    λ> representaciones 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (2.86 secs, 1,393,133,528 bytes)
--    λ> representaciones2 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 867,944 bytes)
--    λ> representaciones3 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 173,512 bytes)
--    λ> representaciones4 3025
--    [(0,55),(33,44)]
--    (0.00 secs, 423,424 bytes)
--    
--    λ> length (representaciones2 (10^10))
--    6
--    (3.38 secs, 2,188,903,544 bytes)
--    λ> length (representaciones3 (10^10))
--    6
--    (0.10 secs, 62,349,048 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (10^10))
--    6
--    (0.11 secs, 48,052,360 bytes)
--
--    λ> length (representaciones3 (4*10^12))
--    7
--    (1.85 secs, 1,222,007,176 bytes)
--    λ> length (representaciones4 (4*10^12))
--    7
--    (1.79 secs, 953,497,480 bytes)

-- Definición de primosImparesConRepresentacionUnica
-- =================================================

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]
primosImparesConRepresentacionUnica =
  [x | x <- tail primes
     , length (representaciones4 x) == 1]

-- Definición de primos4nM1
-- ========================

primos4nM1 :: [Integer]
primos4nM1 = [x | x <- primes
                , x `mod` 4 == 1]

-- Teorema de Navidad de Fermat
-- ============================

-- La propiedad es
prop_teoremaDeNavidadDeFermat :: Positive Int -> Bool
prop_teoremaDeNavidadDeFermat (Positive n) =
  primosImparesConRepresentacionUnica !! n == primos4nM1 !! n
             
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_teoremaDeNavidadDeFermat
--    +++ OK, passed 100 tests.

100

101

102

103

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150

151

import Data.Numbers.Primes (primes)

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de representaciones

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

representaciones :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones n =

[(x,y) | x <- [0..n], y <- [x..n], n == x*x + y*y]

-- 2ª definición de representaciones

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

representaciones2 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones2 n =

[(x,raiz z) | x <- [0..raiz (n `div` 2)]

, let z = n - x*x

, esCuadrado z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado 25 == True

-- esCuadrado 26 == False

esCuadrado :: Integer -> Bool

esCuadrado x = x == y * y

where y = raiz x

-- (raiz x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,

-- raiz 25 == 5

-- raiz 24 == 4

-- raiz 26 == 5

raiz :: Integer -> Integer

raiz 0 = 0

raiz 1 = 1

raiz x = aux (0,x)

where aux (a,b) | d == x = c

| c == a = a

| d < x = aux (c,b)

| otherwise = aux (a,c)

where c = (a+b) `div` 2

d = c^2

-- 3ª definición de representaciones

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

representaciones3 :: Integer -> [(Integer,Integer)]

representaciones3 n =

[(x,raiz3 z) | x <- [0..raiz3 (n `div` 2)]

, let z = n - x*x

, esCuadrado3 z]

-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por

-- ejemplo,

-- esCuadrado3 25 == True

-- esCuadrado3 26 == False

esCuadrado3 :: Integer -> Bool

esCuadrado3 x = x == y * y

where y = raiz3 x

-- (raiz3 x) es la raíz cuadrada entera de x. Por ejemplo,

-- raiz3 25 == 5

-- raiz3 24 == 4

-- raiz3 26 == 5

raiz3 :: Integer -> Integer

raiz3 x = floor (sqrt (fromIntegral x))

-- 4ª definición de representaciones

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

representaciones4 :: Integer -> [(Integer, Integer)]

representaciones4 n = aux 0 (floor (sqrt (fromIntegral n)))

where aux x y

| x > y = []

| otherwise = case compare (x*x + y*y) n of

LT -> aux (x + 1) y

EQ -> (x, y) : aux (x + 1) (y - 1)

GT -> aux x (y - 1)

-- Equivalencia de las definiciones de representaciones

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

-- La propiedad es

prop_representaciones_equiv :: (Positive Integer) -> Bool

prop_representaciones_equiv (Positive n) =

representaciones n == representaciones2 n &&

representaciones2 n == representaciones3 n &&

representaciones3 n == representaciones4 n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_representaciones_equiv

-- +++ OK, passed 100 tests.

-- Comparación de eficiencia de las definiciones de representaciones

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

-- λ> representaciones 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (2.86 secs, 1,393,133,528 bytes)

-- λ> representaciones2 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 867,944 bytes)

-- λ> representaciones3 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 173,512 bytes)

-- λ> representaciones4 3025

-- [(0,55),(33,44)]

-- (0.00 secs, 423,424 bytes)

-- λ> length (representaciones2 (10^10))

-- 6

-- (3.38 secs, 2,188,903,544 bytes)

-- λ> length (representaciones3 (10^10))

-- 6

-- (0.10 secs, 62,349,048 bytes)

-- λ> length (representaciones4 (10^10))

-- 6

-- (0.11 secs, 48,052,360 bytes)

-- λ> length (representaciones3 (4*10^12))

-- 7

-- (1.85 secs, 1,222,007,176 bytes)

-- λ> length (representaciones4 (4*10^12))

-- 7

-- (1.79 secs, 953,497,480 bytes)

-- Definición de primosImparesConRepresentacionUnica

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

primosImparesConRepresentacionUnica :: [Integer]

primosImparesConRepresentacionUnica =

[x | x <- tail primes

, length (representaciones4 x) == 1]

-- Definición de primos4nM1

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

primos4nM1 :: [Integer]

primos4nM1 = [x | x <- primes

, x `mod` 4 == 1]

-- Teorema de Navidad de Fermat

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

-- La propiedad es

prop_teoremaDeNavidadDeFermat :: Positive Int -> Bool

prop_teoremaDeNavidadDeFermat (Positive n) =

primosImparesConRepresentacionUnica !! n == primos4nM1 !! n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_teoremaDeNavidadDeFermat

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

– ¡Cuándo llegará otro día!
– Hoy es siempre todavía.

Antonio Machado

El teorema de Navidad de Fermat

Soluciones

Pensamiento

Suma de primos menores

Soluciones

Pensamiento

Primos o cuadrados de primos

Soluciones

Pensamiento

Variación de la conjetura de Goldbach.

Soluciones

Pensamiento

El teorema de Navidad de Fermat

Soluciones

Pensamiento

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