Test.QuickCheck

Números de Bell

PorJosé A. Alonso 5-febrero-202012-febrero-2020

Una partición de un conjunto A es un conjunto de subconjuntos no vacíos de A, disjuntos dos a dos y cuya unión es A. Por ejemplo, el conjunto {1, 2, 3} tiene exactamente 5 particiones:

   {{1}, {2}, {3}}
   {{1,2}, {3}}
   {{1,3}, {2}}
   {{1}, {2,3}}
   {{1,2,3}}

{{1}, {2}, {3}}

{{1,2}, {3}}

{{1,3}, {2}}

{{1}, {2,3}}

El n-ésimo número de Bell, B(n), es el número de particiones de un conjunto de n elementos. Por lo visto anteriormentem B(3) = 5.

Definir las funciones

   particiones :: [a] -> [[[a]]]
   bell :: Integer -> Integer

1 2	particiones :: [a] -> [[[a]]] bell :: Integer -> Integer

tales que

(particiones xs) es el conjunto de las particiones de xs. Por ejemplo,

     λ> particiones [1,2]
     [[[1,2]],[[1],[2]]]
     λ> particiones [1,2,3]
     [[[1,2,3]],[[1],[2,3]],[[1,2],[3]],[[2],[1,3]],[[1],[2],[3]]]
     λ> particiones "abcd"
     [["abcd"],["a","bcd"],["ab","cd"],["b","acd"],["abc","d"],["bc","ad"],
      ["ac","bd"],["c","abd"],["a","b","cd"],["a","bc","d"],["a","c","bd"],
      ["ab","c","d"],["b","ac","d"],["b","c","ad"],["a","b","c","d"]]

λ> particiones [1,2]

[[[1,2]],[[1],[2]]]

λ> particiones [1,2,3]

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

λ> particiones "abcd"

[["abcd"],["a","bcd"],["ab","cd"],["b","acd"],["abc","d"],["bc","ad"],

["ac","bd"],["c","abd"],["a","b","cd"],["a","bc","d"],["a","c","bd"],

["ab","c","d"],["b","ac","d"],["b","c","ad"],["a","b","c","d"]]

(bell n) es el n-ésimo número de Bell. Por ejemplo,

     λ> bell 3
     5
     λ> map bell [0..10]
     [1,1,2,5,15,52,203,877,4140,21147,115975]

λ> bell 3

λ> map bell [0..10]

[1,1,2,5,15,52,203,877,4140,21147,115975]

Comprobar con QuickCheck que (bell n) es equivalente a la función B(n) definida por

$B(0) = 1$
$B(n) = \displaystyle \sum_{k=0}^{n-1} \binom{n-1}{k} B(k)$

Soluciones

import Data.List (genericLength)
import Test.QuickCheck

-- Definición de particiones
-- =========================

particiones :: [a] -> [[[a]]]
particiones [] = [[]]
particiones (x:xs) =
  concat [([x] : yss) : inserta x yss | yss <- ysss]
  where ysss = particiones xs

-- (inserta x yss) es la lista obtenida insertando x en cada uno de los
-- elementos de yss. Por ejemplo, 
--    λ> inserta 1 [[2,3],[4],[5,6,7]]
--    [[[1,2,3],[4],[5,6,7]],[[2,3],[1,4],[5,6,7]],[[2,3],[4],[1,5,6,7]]]
inserta :: a -> [[a]] -> [[[a]]]
inserta _ []       = []
inserta x (ys:yss) = ((x:ys):yss) : [ys : zs | zs <- inserta x yss] 

-- Definición de Bell
-- ==================

bell :: Integer -> Integer
bell n = genericLength (particiones [1..n])

-- Propiedad
-- =========

prop_Bell :: Integer -> Property
prop_Bell n =
  n >= 0 ==> bell n == b n

b :: Integer -> Integer
b 0 = 1
b n = sum [comb (n-1) k * b k | k <- [0..n-1]]

comb :: Integer -> Integer -> Integer
comb n k = product [n-k+1..n] `div` product [1..k]

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_Bell
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (genericLength)

import Test.QuickCheck

-- Definición de particiones

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

particiones :: [a] -> [[[a]]]

particiones [] = [[]]

particiones (x:xs) =

concat [([x] : yss) : inserta x yss | yss <- ysss]

where ysss = particiones xs

-- (inserta x yss) es la lista obtenida insertando x en cada uno de los

-- elementos de yss. Por ejemplo,

-- λ> inserta 1 [[2,3],[4],[5,6,7]]

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

inserta :: a -> [[a]] -> [[[a]]]

inserta _ [] = []

inserta x (ys:yss) = ((x:ys):yss) : [ys : zs | zs <- inserta x yss]

-- Definición de Bell

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

bell :: Integer -> Integer

bell n = genericLength (particiones [1..n])

-- Propiedad

-- =========

prop_Bell :: Integer -> Property

prop_Bell n =

n >= 0 ==> bell n == b n

b :: Integer -> Integer

b 0 = 1

b n = sum [comb (n-1) k * b k | k <- [0..n-1]]

comb :: Integer -> Integer -> Integer

comb n k = product [n-k+1..n] `div` product [1..k]

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_Bell

-- +++ 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

«Cambiemos nuestra actitud tradicional en la construcción de programas. En lugar de imaginar que nuestra tarea principal es indicarle a una computadora lo que debe hacer, concentrémonos más bien en explicarle a los seres humanos lo que queremos que haga una computadora.»

Donald Knuth.

Entre dos potencias sucesivas

PorJosé A. Alonso 3-febrero-202010-febrero-2020

Se dice que un número entero está entre potencias sucesivas de n si x-1 es una potencia n-ésima y x+1 es una potencia (n+1)-ésima; es decir, si existen a y b tales que x-1 es a^n y x+1 es b^(n+1). Por ejemplo,

 2 está entre potencias sucesivas de 0, ya que  1 =  1^0 y  3 = 3^1
15 está entre potencias sucesivas de 1, ya que 14 = 14^1 y 16 = 4^2
26 está entre potencias sucesivas de 2, ya que 25 =  5^2 y 27 = 3^3

2 está entre potencias sucesivas de 0, ya que 1 = 1^0 y 3 = 3^1

15 está entre potencias sucesivas de 1, ya que 14 = 14^1 y 16 = 4^2

26 está entre potencias sucesivas de 2, ya que 25 = 5^2 y 27 = 3^3

Definir las funciones

   entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool
   pares :: [(Integer,Integer)]
   paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]

entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool

pares :: [(Integer,Integer)]

paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]

tales que

(entrePotencias n x) se verifica si x está entre potencias sucesivas de n. Por ejemplo,

     entrePotencias 0 2   ==  True
     entrePotencias 1 15  ==  True
     entrePotencias 2 26  ==  True

entrePotencias 0 2 == True

entrePotencias 1 15 == True

entrePotencias 2 26 == True

pares es la lista de los números enteros ordenados por su suma y primer elemento. Por ejemplo,

     λ> take 11 pares
     [(0,0),(0,1),(1,0),(0,2),(1,1),(2,0),(0,3),(1,2),(2,1),(3,0),(0,4)]

1 2	λ> take 11 pares [(0,0),(0,1),(1,0),(0,2),(1,1),(2,0),(0,3),(1,2),(2,1),(3,0),(0,4)]

paresEntrePotencias es la lista de los pares (n,x) tales que x está entre potencias sucesivas de n. Por ejemplo,

     λ> take 10 paresEntrePotencias
     [(1,0),(0,2),(1,3),(1,8),(1,15),(1,24),(2,26),(1,35),(1,48),(1,63)]

1 2	λ> take 10 paresEntrePotencias [(1,0),(0,2),(1,3),(1,8),(1,15),(1,24),(2,26),(1,35),(1,48),(1,63)]

Comprobar con QuickCheck que 26 es el único número que está entre potencias sucesivas con exponentes mayor que 1; es decir, que el único par (n,x) tal que x está entre potencias sucesivas de n con n mayor que uno es el (2,26).

Nota: Este ejercicio ha sido propuesto por Rebeca Isabel González Gordillo y está basado en el artículo El número 26 … ¡un número especial! de Amadeo Artacho en MatematicasCercanas.

Soluciones

import Test.QuickCheck

entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool
entrePotencias n x = esPotencia n (x-1) && esPotencia (n+1) (x+1)

-- (esPotencia n x) se verifica si x es una potencia n-ésima. Por
-- ejemplo, 
--    esPotencia 3 27  ==  True
--    esPotencia 3 25  ==  False
esPotencia :: Integer -> Integer -> Bool
esPotencia n x = x == r^n
  where r = ceiling ((fromIntegral x)**(1/fromIntegral n))

pares :: [(Integer,Integer)]
pares = [(x,n-x) | n <- [0..], x <- [0..n]]

paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]
paresEntrePotencias =
  [(n,x) | (n,x) <- pares
         , entrePotencias n x]

prop_entrePotencias :: Integer -> Integer -> Property
prop_entrePotencias n x =
  n > 1 ==> entrePotencias n x == ((n,x) == (2,26))

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

import Test.QuickCheck

entrePotencias :: Integer -> Integer -> Bool

entrePotencias n x = esPotencia n (x-1) && esPotencia (n+1) (x+1)

-- (esPotencia n x) se verifica si x es una potencia n-ésima. Por

-- ejemplo,

-- esPotencia 3 27 == True

-- esPotencia 3 25 == False

esPotencia :: Integer -> Integer -> Bool

esPotencia n x = x == r^n

where r = ceiling ((fromIntegral x)**(1/fromIntegral n))

pares :: [(Integer,Integer)]

pares = [(x,n-x) | n <- [0..], x <- [0..n]]

paresEntrePotencias :: [(Integer,Integer)]

paresEntrePotencias =

[(n,x) | (n,x) <- pares

, entrePotencias n x]

prop_entrePotencias :: Integer -> Integer -> Property

prop_entrePotencias n x =

n > 1 ==> entrePotencias n x == ((n,x) == (2,26))

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_entrePotencias

-- +++ 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

«El verdadero objetivo de la ciencia es el honor de la mente humana.»

Carl Gustav Jacob Jacobi

Acotación del primorial

PorJosé A. Alonso 31-enero-20207-febrero-2020

El primorial de un número natural n es el producto de todos los números primos menores o iguales a n. Por ejemplo, el primorial de 5 es 30 porque el producto de los primos menores o iguales que 5 es

   2 * 3 * 5 = 30

1	2 * 3 * 5 = 30

La propiedad de Erdös de acotación de los primoriales afirma que

Para todo número natural n, su primorial es menor o igual que 4ⁿ.

Definir las funciones

   primorial :: Integer -> Integer
   primoriales :: [Integer]

1 2	primorial :: Integer -> Integer primoriales :: [Integer]

tales que

(primorial n) es el primorial de n. Por ejemplo,

     primorial 3  ==  6
     primorial 5  ==  30
     primorial 8  ==  210

primorial 3 == 6

primorial 5 == 30

primorial 8 == 210

primoriales es la sucesión de los primoriales. Por ejemplo,

   λ> take 15 primoriales
   [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

1 2	λ> take 15 primoriales [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

Comprobar con QuickCheck la propiedad de Erdös de acotación de los primoriales.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de primorial
-- ==========================

primorial :: Integer -> Integer
primorial n = product (takeWhile (<= n) primes)

-- 2ª definición de primorial
-- ==========================

primorial2 :: Integer -> Integer
primorial2 0 = 1
primorial2 n | gcd n x == 1 = n*x
             | otherwise    = x
  where x = primorial2 (n-1)

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

--    λ> length (show (primorial (5*10^5)))
--    216852
--    (1.65 secs, 2,472,977,584 bytes)
--    λ> length (show (primorial2 (5*10^5)))
--    216852
--    (3.56 secs, 2,719,162,272 bytes)

-- 1ª definición de primoriales
-- ============================

--    λ> take 15 primoriales
--    [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]
primoriales :: [Integer]
primoriales = map primorial [0..]

-- 2ª definición de primoriales
-- ============================

--    λ> take 15 primoriales2
--    [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]
primoriales2 :: [Integer]
primoriales2 = map primorial2 [0..]

-- 3ª definición de primoriales
-- ============================

--    λ> take 15 primoriales3
--    [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]
primoriales3 :: [Integer]
primoriales3 = scanl1 f [1..]
  where f x n | gcd n x == 1 = n*x
              | otherwise    = x

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

--    λ> minimum (take 5000 primoriales)
--    1
--    (1.56 secs, 4,857,760,464 bytes)
--    λ> minimum (take 5000 primoriales2)
--    1
--    (9.39 secs, 10,942,848,240 bytes)
--    λ> minimum (take 5000 primoriales3)
--    1
--    (0.01 secs, 5,575,024 bytes)
--    
--    λ> minimum (take 6000 primoriales)
--    1
--    (2.22 secs, 7,013,937,248 bytes)
--    λ> minimum (take 6000 primoriales3)
--    1
--    (0.01 secs, 6,737,328 bytes)

-- Propiedad
-- =========

prop_primorial :: Integer -> Property
prop_primorial n =
  n >= 0 ==> primorial n <= 4^n

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

import Data.Numbers.Primes

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición de primorial

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

primorial :: Integer -> Integer

primorial n = product (takeWhile (<= n) primes)

-- 2ª definición de primorial

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

primorial2 :: Integer -> Integer

primorial2 0 = 1

primorial2 n | gcd n x == 1 = n*x

| otherwise = x

where x = primorial2 (n-1)

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> length (show (primorial (5*10^5)))

-- 216852

-- (1.65 secs, 2,472,977,584 bytes)

-- λ> length (show (primorial2 (5*10^5)))

-- 216852

-- (3.56 secs, 2,719,162,272 bytes)

-- 1ª definición de primoriales

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

-- λ> take 15 primoriales

-- [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

primoriales :: [Integer]

primoriales = map primorial [0..]

-- 2ª definición de primoriales

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

-- λ> take 15 primoriales2

-- [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

primoriales2 :: [Integer]

primoriales2 = map primorial2 [0..]

-- 3ª definición de primoriales

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

-- λ> take 15 primoriales3

-- [1,1,2,6,6,30,30,210,210,210,210,2310,2310,30030,30030]

primoriales3 :: [Integer]

primoriales3 = scanl1 f [1..]

where f x n | gcd n x == 1 = n*x

| otherwise = x

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> minimum (take 5000 primoriales)

-- 1

-- (1.56 secs, 4,857,760,464 bytes)

-- λ> minimum (take 5000 primoriales2)

-- 1

-- (9.39 secs, 10,942,848,240 bytes)

-- λ> minimum (take 5000 primoriales3)

-- 1

-- (0.01 secs, 5,575,024 bytes)

-- λ> minimum (take 6000 primoriales)

-- 1

-- (2.22 secs, 7,013,937,248 bytes)

-- λ> minimum (take 6000 primoriales3)

-- 1

-- (0.01 secs, 6,737,328 bytes)

-- Propiedad

-- =========

prop_primorial :: Integer -> Property

prop_primorial n =

n >= 0 ==> primorial n <= 4^n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_primorial

-- +++ 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

«Las matemáticas son la reina de las ciencias y la teoría de los números es la reina de las matemáticas.»

Carl Friedrich Gauss.

Longitud de la parte periódica

PorJosé A. Alonso 30-enero-202026-marzo-2022

La propiedad de la longitud de la parte periódica afirma que

Si p es un número primo distinto de 2 y de 5, entonces la longitud del período de 1/p es el menor entero positivo n tal que p divide a $10^n - 1$ .

El objetivo de este ejercicio es la verificación de dicha propiedad.

Las fracciones se representan por un par de enteros. Por ejemplo, el número 2/3 se representa por (2,3). Su tipo es

   type Fraccion = (Integer,Integer)

1	type Fraccion = (Integer,Integer)

Los números decimales se representan por ternas, donde el primer elemento es la parte entera, el segundo es el anteperíodo y el tercero es el período. Por ejemplo,

 6/2  = 3                  se representa por (3,[],[])
 1/2  = 0.5                se representa por (0,[5],[])
 1/3  = 0.333333...        se representa por (0,[],[3])  
23/14 = 1.6428571428571... se representa por (1,[6],[4,2,8,5,7,1])

6/2 = 3 se representa por (3,[],[])

1/2 = 0.5 se representa por (0,[5],[])

1/3 = 0.333333... se representa por (0,[],[3])

23/14 = 1.6428571428571... se representa por (1,[6],[4,2,8,5,7,1])

Su tipo es

   type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

1	type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

Definir, usando las funciones cocientesRestos y primerRepetido de los ejercicios anteriores, las funciones

   decimal :: Fraccion -> Decimal
   longitudPeriodo :: Fraccion -> Integer

1 2	decimal :: Fraccion -> Decimal longitudPeriodo :: Fraccion -> Integer

tales que

(decimal f) es la representación decimal de la fracción f. Por ejemplo,

     decimal (6,2)          ==  (3,[],[])
     decimal (3,4)          ==  (0,[7,5],[])
     decimal (1,3)          ==  (0,[],[3])
     decimal (23,14)        ==  (1,[6],[4,2,8,5,7,1])
     decimal (247813,19980) ==  (12,[4,0],[3,0,5])
     decimal (1,101)        ==  (0,[],[0,0,9,9])

decimal (6,2) == (3,[],[])

decimal (3,4) == (0,[7,5],[])

decimal (1,3) == (0,[],[3])

decimal (23,14) == (1,[6],[4,2,8,5,7,1])

decimal (247813,19980) == (12,[4,0],[3,0,5])

decimal (1,101) == (0,[],[0,0,9,9])

(longitudPeriodo f) es la longitud de la parte periódica de la representación decimal de la fracción f. Por ejemplo,

     longitudPeriodo (6,2)           ==  0
     longitudPeriodo (3,4)           ==  0
     longitudPeriodo (1,3)           ==  1
     longitudPeriodo (23,14)         ==  6
     longitudPeriodo (247813,19980)  ==  3
     longitudPeriodo (1,101)         ==  4
     longitudPeriodo (1,1229)        ==  1228

longitudPeriodo (6,2) == 0

longitudPeriodo (3,4) == 0

longitudPeriodo (1,3) == 1

longitudPeriodo (23,14) == 6

longitudPeriodo (247813,19980) == 3

longitudPeriodo (1,101) == 4

longitudPeriodo (1,1229) == 1228

Comprobar con QuickCheck la propiedad de la longitud de la parte periódica; es decir, k es un número natural distinto de 0 y 2 y p es el primo k-ésimo, entonces la longitud del período de 1/p es el menor entero positivo n tal que p divide a $10^n - 1$ ..

Soluciones

import Data.Numbers.Primes
import Test.QuickCheck

type Fraccion = (Integer,Integer)
type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

decimal :: Fraccion -> Decimal
decimal (n,d) 
  | snd y == 0 = (fst x, map fst xs, [])
  | otherwise  = (fst x, map fst xs, map fst (y:zs))
  where
    qrs         = cocientesRestos (n,d)
    Just (q,r)  = primerRepetido qrs
    (x:xs,y:ys) = break (==(q,r)) qrs
    zs          = takeWhile (/=(q,r)) ys

cocientesRestos :: Fraccion -> [(Integer,Integer)]
cocientesRestos (n,d) =
  (q,r) : cocientesRestos (10*r, d)
  where (q,r) = quotRem n d

primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a
primerRepetido xs = aux xs []
  where
    aux [] _                     = Nothing
    aux (x:xs') ys | x `elem` ys = Just x
                   | otherwise   = aux xs' (x:ys) 

longitudPeriodo :: Fraccion -> Int
longitudPeriodo (n,d) = length xs
  where (_,_,xs) = decimal (n,d)

-- La propiedad es
prop_LongitudPeriodo :: Int -> Property
prop_LongitudPeriodo k =
  k > 0 && k /= 2 
  ==>
  longitudPeriodo (1,p) ==
  head [n | n <- [1..], (10^n-1) `mod` p == 0]
  where p = primes !! k

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

import Data.Numbers.Primes

import Test.QuickCheck

type Fraccion = (Integer,Integer)

type Decimal = (Integer,[Integer],[Integer])

decimal :: Fraccion -> Decimal

decimal (n,d)

| snd y == 0 = (fst x, map fst xs, [])

| otherwise = (fst x, map fst xs, map fst (y:zs))

where

qrs = cocientesRestos (n,d)

Just (q,r) = primerRepetido qrs

(x:xs,y:ys) = break (==(q,r)) qrs

zs = takeWhile (/=(q,r)) ys

cocientesRestos :: Fraccion -> [(Integer,Integer)]

cocientesRestos (n,d) =

(q,r) : cocientesRestos (10*r, d)

where (q,r) = quotRem n d

primerRepetido :: Eq a => [a] -> Maybe a

primerRepetido xs = aux xs []

where

aux [] _ = Nothing

aux (x:xs') ys | x `elem` ys = Just x

| otherwise = aux xs' (x:ys)

longitudPeriodo :: Fraccion -> Int

longitudPeriodo (n,d) = length xs

where (_,_,xs) = decimal (n,d)

-- La propiedad es

prop_LongitudPeriodo :: Int -> Property

prop_LongitudPeriodo k =

k > 0 && k /= 2

==>

longitudPeriodo (1,p) ==

head [n | n <- [1..], (10^n-1) `mod` p == 0]

where p = primes !! k

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_LongitudPeriodo

-- +++ 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

«En el desarrollo de la comprensión de los fenómenos complejos, la herramienta más poderosa de que dispone el intelecto humano es la abstracción. La abstracción surge del reconocimiento de las similitudes entre ciertos objetos, situaciones o procesos en el mundo real y de la decisión de concentrarse en estas similitudes e ignorar, por el momento, sus diferencias.»

Tony Hoare

La conjetura de Mertens

PorJosé A. Alonso 27-enero-20203-febrero-2020

Un número entero n es libre de cuadrados si no existe un número primo p tal que p² divide a n; es decir, los factores primos de n son todos distintos.

La función de Möbius μ(n) está definida para todos los enteros positivos como sigue:

μ(n) = 1 si n es libre de cuadrados y tiene un número par de factores primos.
μ(n) = -1 si n es libre de cuadrados y tiene un número impar de factores primos.
μ(n) = 0 si n no es libre de cuadrados.

Sus primeros valores son 1, -1, -1, 0, -1, 1, -1, 0, 0, 1, …

La función de Mertens M(n) está definida para todos los enteros positivos como la suma de μ(k) para 1 ≤ k ≤ n. Sus primeros valores son 1, 0, -1, -1, -2, -1, -2, -2, …

La conjetura de Mertens afirma que

Para todo entero x mayor que 1, el valor absoluto de la función de Mertens en x es menor que la raíz cuadrada de x.

La conjetura fue planteada por Franz Mertens en 1897. Riele Odlyzko, demostraronen 1985 que la conjetura de Mertens deja de ser cierta más o menos a partir de $10^{10^{64}}$ , cifra que luego de algunos refinamientos se redujo a $10^{10^{40}}$ .

Definir las funciones

   mobius :: Integer -> Integer
   mertens :: Integer -> Integer
   graficaMertens :: Integer -> IO ()

mobius :: Integer -> Integer

mertens :: Integer -> Integer

graficaMertens :: Integer -> IO ()

tales que

(mobius n) es el valor de la función de Möbius en n. Por ejemplo,

     mobius 6   ==  1
     mobius 30  ==  -1
     mobius 12  ==  0

mobius 6 == 1

mobius 30 == -1

mobius 12 == 0

(mertens n) es el valor de la función de Mertens en n. Por ejemplo,

     mertens 1     ==  1
     mertens 2     ==  0
     mertens 3     ==  -1
     mertens 5     ==  -2
     mertens 661   ==  -11
     mertens 1403  ==  11

mertens 1 == 1

mertens 2 == 0

mertens 3 == -1

mertens 5 == -2

mertens 661 == -11

mertens 1403 == 11

(graficaMertens n) dibuja la gráfica de la función de Mertens, la raíz cuadrada y el opuestos de la raíz cuadrada para los n primeros n enteros positivos. Por ejemplo, (graficaMertens 1000) dibuja

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Mertens.

Nota: El ejercicio está basado en La conjetura de Merterns y su relación con un número tan raro como extremada y colosalmente grande publicado por @Alvy la semana pasada en Microsiervos.

Soluciones

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
import Test.QuickCheck
import Graphics.Gnuplot.Simple

mobius :: Integer -> Integer
mobius n | tieneRepetidos xs = 0
         | otherwise         = (-1)^(length xs)
  where xs = primeFactors n

tieneRepetidos :: [Integer] -> Bool
tieneRepetidos xs =
  or [x == y | (x,y) <- zip xs (tail xs)]
        
mertens :: Integer -> Integer
mertens n = sum (map mobius [1..n])

-- Definición de graficaMertens
-- ============================

graficaMertens :: Integer -> IO ()
graficaMertens n = do
  plotLists [ Key Nothing
            , Title "Conjetura de Mertens"
            , PNG "La_conjetura_de_Mertens.png"
            ]
            [ [mertens k | k <- [1..n]]
            , raices
            , map negate raices
            ]
    
  where
    raices = [ceiling (sqrt k) | k <- [1..fromIntegral n]]

-- Conjetura de Mertens
-- ====================

-- La conjetura es
conjeturaDeMertens :: Integer -> Property
conjeturaDeMertens n =
  n > 1
  ==>
  abs (mertens n) < ceiling (sqrt n')
  where n' = fromIntegral n

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

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

import Test.QuickCheck

import Graphics.Gnuplot.Simple

mobius :: Integer -> Integer

mobius n | tieneRepetidos xs = 0

| otherwise = (-1)^(length xs)

where xs = primeFactors n

tieneRepetidos :: [Integer] -> Bool

tieneRepetidos xs =

or [x == y | (x,y) <- zip xs (tail xs)]

mertens :: Integer -> Integer

mertens n = sum (map mobius [1..n])

-- Definición de graficaMertens

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

graficaMertens :: Integer -> IO ()

graficaMertens n = do

plotLists [ Key Nothing

, Title "Conjetura de Mertens"

, PNG "La_conjetura_de_Mertens.png"

]

[ [mertens k | k <- [1..n]]

, raices

, map negate raices

]

where

raices = [ceiling (sqrt k) | k <- [1..fromIntegral n]]

-- Conjetura de Mertens

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

-- La conjetura es

conjeturaDeMertens :: Integer -> Property

conjeturaDeMertens n =

n > 1

==>

abs (mertens n) < ceiling (sqrt n')

where n' = fromIntegral n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck conjeturaDeMertens

-- +++ 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>

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«El control de la complejidad es la esencia de la programación informática.»

Brian Kernighan.

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