Recursión

Caminos reducidos

PorJosé A. Alonso 25-mayo-201825-abril-2021

Un camino es una sucesión de pasos en una de las cuatros direcciones Norte, Sur, Este, Oeste. Ir en una dirección y a continuación en la opuesta es un esfuerzo que se puede reducir, Por ejemplo, el camino [Norte,Sur,Este,Sur] se puede reducir a [Este,Sur].

Un camino se dice que es reducido si no tiene dos pasos consecutivos en direcciones opuesta. Por ejemplo, [Este,Sur] es reducido y [Norte,Sur,Este,Sur] no lo es.

En Haskell, las direcciones y los caminos se pueden definir por

   data Direccion = N | S | E | O deriving (Show, Eq)
   type Camino = [Direccion]

1 2	data Direccion = N \| S \| E \| O deriving (Show, Eq) type Camino = [Direccion]

Definir la función

   reducido :: Camino -> Camino

1	reducido :: Camino -> Camino

tal que (reducido ds) es el camino reducido equivalente al camino ds. Por ejemplo,

   reducido []                              ==  []
   reducido [N]                             ==  [N]
   reducido [N,O]                           ==  [N,O]
   reducido [N,O,E]                         ==  [N]
   reducido [N,O,E,S]                       ==  [] 
   reducido [N,O,S,E]                       ==  [N,O,S,E]
   reducido [S,S,S,N,N,N]                   ==  []
   reducido [N,S,S,E,O,N]                   ==  []
   reducido [N,S,S,E,O,N,O]                 ==  [O]
   reducido (take (10^7) (cycle [N,E,O,S])) ==  []

reducido [] == []

reducido [N] == [N]

reducido [N,O] == [N,O]

reducido [N,O,E] == [N]

reducido [N,O,E,S] == []

reducido [N,O,S,E] == [N,O,S,E]

reducido [S,S,S,N,N,N] == []

reducido [N,S,S,E,O,N] == []

reducido [N,S,S,E,O,N,O] == [O]

reducido (take (10^7) (cycle [N,E,O,S])) == []

Nótese que en el penúltimo ejemplo las reducciones son

       [N,S,S,E,O,N,O]  
   --> [S,E,O,N,O]  
   --> [S,N,O]  
   --> [O]

[N,S,S,E,O,N,O]

--> [S,E,O,N,O]

--> [S,N,O]

--> [O]

Soluciones

data Direccion = N | S | E | O deriving (Show, Eq)

type Camino = [Direccion]

-- 1ª solución (por recursión):
reducido1 :: Camino -> Camino
reducido1 [] = []
reducido1 (d:ds) | null ds'                = [d]
                 | d == opuesta (head ds') = tail ds'
                 | otherwise               = d:ds'
    where ds' = reducido1 ds

opuesta :: Direccion -> Direccion
opuesta N = S
opuesta S = N
opuesta E = O
opuesta O = E

-- 2ª solución (por plegado)
reducido2 :: Camino -> Camino
reducido2 = foldr aux []
    where aux N (S:xs) = xs
          aux S (N:xs) = xs
          aux E (O:xs) = xs
          aux O (E:xs) = xs
          aux x xs     = x:xs

-- 3ª solución 
reducido3 :: Camino -> Camino
reducido3 []       = []
reducido3 (N:S:ds) = reducido3 ds
reducido3 (S:N:ds) = reducido3 ds
reducido3 (E:O:ds) = reducido3 ds
reducido3 (O:E:ds) = reducido3 ds
reducido3 (d:ds) | null ds'                = [d]
                 | d == opuesta (head ds') = tail ds'
                 | otherwise               = d:ds'
    where ds' = reducido3 ds

-- 4ª solución
reducido4 :: Camino -> Camino
reducido4 ds = reverse (aux ([],ds)) where 
    aux (N:xs, S:ys) = aux (xs,ys)
    aux (S:xs, N:ys) = aux (xs,ys)
    aux (E:xs, O:ys) = aux (xs,ys)
    aux (O:xs, E:ys) = aux (xs,ys)
    aux (  xs, y:ys) = aux (y:xs,ys)
    aux (  xs,   []) = xs

-- Comparación de eficiencia
--    ghci> reducido1 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))
--    []
--    (3.87 secs, 460160736 bytes)
--    ghci> reducido2 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))
--    []
--    (1.16 secs, 216582880 bytes)
--    ghci> reducido3 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))
--    []
--    (0.58 secs, 98561872 bytes)
--    ghci> reducido4 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))
--    []
--    (0.64 secs, 176154640 bytes)
--    
--    ghci> reducido3 (take (10^7) (cycle [N,E,O,S]))
--    []
--    (5.43 secs, 962694784 bytes)
--    ghci> reducido4 (take (10^7) (cycle [N,E,O,S]))
--    []
--    (9.29 secs, 1722601528 bytes)
-- 
--    ghci> length $ reducido3 (take 2000000 $ cycle [N,O,N,S,E,N,S,O,S,S])
--    400002
--    (4.52 secs, 547004960 bytes)
--    ghci> length $ reducido4 (take 2000000 $ cycle [N,O,N,S,E,N,S,O,S,S])
--    400002
--    (2.17 secs, 379049224 bytes)

data Direccion = N | S | E | O deriving (Show, Eq)

type Camino = [Direccion]

-- 1ª solución (por recursión):

reducido1 :: Camino -> Camino

reducido1 [] = []

reducido1 (d:ds) | null ds' = [d]

| d == opuesta (head ds') = tail ds'

| otherwise = d:ds'

where ds' = reducido1 ds

opuesta :: Direccion -> Direccion

opuesta N = S

opuesta S = N

opuesta E = O

opuesta O = E

-- 2ª solución (por plegado)

reducido2 :: Camino -> Camino

reducido2 = foldr aux []

where aux N (S:xs) = xs

aux S (N:xs) = xs

aux E (O:xs) = xs

aux O (E:xs) = xs

aux x xs = x:xs

-- 3ª solución

reducido3 :: Camino -> Camino

reducido3 [] = []

reducido3 (N:S:ds) = reducido3 ds

reducido3 (S:N:ds) = reducido3 ds

reducido3 (E:O:ds) = reducido3 ds

reducido3 (O:E:ds) = reducido3 ds

reducido3 (d:ds) | null ds' = [d]

| d == opuesta (head ds') = tail ds'

| otherwise = d:ds'

where ds' = reducido3 ds

-- 4ª solución

reducido4 :: Camino -> Camino

reducido4 ds = reverse (aux ([],ds)) where

aux (N:xs, S:ys) = aux (xs,ys)

aux (S:xs, N:ys) = aux (xs,ys)

aux (E:xs, O:ys) = aux (xs,ys)

aux (O:xs, E:ys) = aux (xs,ys)

aux ( xs, y:ys) = aux (y:xs,ys)

aux ( xs, []) = xs

-- Comparación de eficiencia

-- ghci> reducido1 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))

-- []

-- (3.87 secs, 460160736 bytes)

-- ghci> reducido2 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))

-- []

-- (1.16 secs, 216582880 bytes)

-- ghci> reducido3 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))

-- []

-- (0.58 secs, 98561872 bytes)

-- ghci> reducido4 (take (10^6) (cycle [N,E,O,S]))

-- []

-- (0.64 secs, 176154640 bytes)

-- ghci> reducido3 (take (10^7) (cycle [N,E,O,S]))

-- []

-- (5.43 secs, 962694784 bytes)

-- ghci> reducido4 (take (10^7) (cycle [N,E,O,S]))

-- []

-- (9.29 secs, 1722601528 bytes)

-- ghci> length $ reducido3 (take 2000000 $ cycle [N,O,N,S,E,N,S,O,S,S])

-- 400002

-- (4.52 secs, 547004960 bytes)

-- ghci> length $ reducido4 (take 2000000 $ cycle [N,O,N,S,E,N,S,O,S,S])

-- 400002

-- (2.17 secs, 379049224 bytes)

Problema de las 3 jarras

PorJosé A. Alonso 23-mayo-201830-mayo-2018

En el problema de las tres jarras (A,B,C) se dispone de tres jarras de capacidades A, B y C litros con A > B > C y A par. Inicialmente la jarra mayor está llena y las otras dos vacías. Queremos, trasvasando adecuadamente el líquido entre las jarras, repartir por igual el contenido inicial entre las dos jarras mayores. Por ejemplo, para el problema (8,5,3) el contenido inicial es (8,0,0) y el final es (4,4,0).

Definir las funciones

   solucionesTresJarras :: Problema -> [[Estado]]
   tresJarras :: Problema -> Maybe [Estado]

1 2	solucionesTresJarras :: Problema -> [[Estado]] tresJarras :: Problema -> Maybe [Estado]

tales que

(solucionesTresJarras p) es la lista de soluciones del problema de las tres jarras p. Por ejemplo,

     λ> mapM_ print (solucionesTresJarras (4,2,1))
     [(4,0,0),(2,2,0)]
     [(4,0,0),(3,0,1),(1,2,1),(2,2,0)]
     [(4,0,0),(3,0,1),(3,1,0),(2,2,0)]
     [(4,0,0),(3,0,1),(3,1,0),(2,1,1),(2,2,0)]
     [(4,0,0),(3,0,1),(3,1,0),(2,1,1),(1,2,1),(2,2,0)]
     λ> mapM_ print (solucionesTresJarras (8,6,2))
     [(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]
     [(8,0,0),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]
     [(8,0,0),(6,0,2),(0,6,2),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]
     [(8,0,0),(6,0,2),(6,2,0),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]
     [(8,0,0),(2,6,0),(0,6,2),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]
     [(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]
     [(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(0,6,2),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]
     [(8,0,0),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(0,6,2),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]
     λ> length (solucionesTresJarras (8,5,3))
     16
     λ> head (solucionesTresJarras (8,5,3))
     [(8,0,0),(3,5,0),(3,2,3),(6,2,0),(6,0,2),(1,5,2),(1,4,3),(4,4,0)]
     λ> length (solucionesTresJarras (8,6,5))
     0

λ> mapM_ print (solucionesTresJarras (4,2,1))

[(4,0,0),(2,2,0)]

[(4,0,0),(3,0,1),(1,2,1),(2,2,0)]

[(4,0,0),(3,0,1),(3,1,0),(2,2,0)]

[(4,0,0),(3,0,1),(3,1,0),(2,1,1),(2,2,0)]

[(4,0,0),(3,0,1),(3,1,0),(2,1,1),(1,2,1),(2,2,0)]

λ> mapM_ print (solucionesTresJarras (8,6,2))

[(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]

[(8,0,0),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]

[(8,0,0),(6,0,2),(0,6,2),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]

[(8,0,0),(6,0,2),(6,2,0),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]

[(8,0,0),(2,6,0),(0,6,2),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]

[(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]

[(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(0,6,2),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(4,4,0)]

[(8,0,0),(6,0,2),(6,2,0),(4,2,2),(0,6,2),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]

λ> length (solucionesTresJarras (8,5,3))

λ> head (solucionesTresJarras (8,5,3))

[(8,0,0),(3,5,0),(3,2,3),(6,2,0),(6,0,2),(1,5,2),(1,4,3),(4,4,0)]

λ> length (solucionesTresJarras (8,6,5))

(tresJarras p) es una solución del problema de las tres jarras p con el mínimo mínimo número de trasvase, si p tiene solución y Nothing, en caso contrario. Por ejemplo,

     λ> tresJarras (4,2,1)
     Just [(4,0,0),(2,2,0)]
     λ> tresJarras (8,6,2)
     Just [(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]
     λ> tresJarras (8,5,3)
     Just [(8,0,0),(3,5,0),(3,2,3),(6,2,0),(6,0,2),(1,5,2),(1,4,3),(4,4,0)]
     λ> tresJarras (8,6,5)
     Nothing

λ> tresJarras (4,2,1)

Just [(4,0,0),(2,2,0)]

λ> tresJarras (8,6,2)

Just [(8,0,0),(2,6,0),(2,4,2),(4,4,0)]

λ> tresJarras (8,5,3)

Just [(8,0,0),(3,5,0),(3,2,3),(6,2,0),(6,0,2),(1,5,2),(1,4,3),(4,4,0)]

λ> tresJarras (8,6,5)

Nothing

Soluciones

import Data.Maybe (listToMaybe)

-- Para simplificar la notación se definen los tipos Problema y Estado
-- como sigue.

-- Un problema es una terna de números. El primero es la capacidad de la
-- primera jarra, el segundo el de la segunda y el tercero el de la
-- tercera.
type Problema = (Int,Int,Int)

-- Un estado es una terna de números. El primero es el contenido de la
-- jarra de A litros, el segundo el de la de B litros y el tercero el de
-- la de C litros.
type Estado = (Int,Int,Int)

solucionesTresJarras :: Problema -> [[Estado]]
solucionesTresJarras p = busca [[inicial p]]
  where
    busca []        = []
    busca ((e:es):ns)  
      | esFinal p e = reverse (e:es) : busca ns
      | otherwise   = busca (ns ++ [e1:e:es | e1 <- sucesores p e
                                            , e1 `notElem` es])

-- (inicial p) es el estado inicial del problema p. Por ejemplo, 
--    inicial (8,5,3)  ==  (8,0,0)
inicial :: Problema -> Estado
inicial (a,_,_) = (a,0,0)

-- (esFinal p e) es verifica si e es un estado final del problema de las
-- tres jarras p. Por ejemplo,
--    esFinal (8,5,3) (4,4,0)  ==  True
--    esFinal (8,5,3) (4,0,4)  ==  False
esFinal :: Problema -> Estado -> Bool
esFinal (a,_,_) (x,y,z) =
  x == y && x + y == a

-- (sucesores p e) es la lista de los sucesores del estado e en el
-- problema de las tres jarras p. Por ejemplo, 
--    sucesores (8,5,3) (8,0,0)  ==  [(3,5,0),(5,0,3)]
--    sucesores (8,5,3) (3,5,0)  ==  [(0,5,3),(8,0,0),(3,2,3)]
sucesores :: Problema -> Estado -> [Estado]
sucesores (a,b,c) (x,y,z) =
     [(x-ab,y+ab,z)    | let ab = min x (b-y), ab > 0]
  ++ [(x-ac,y   ,z+ac) | let ac = min x (c-z), ac > 0]
  ++ [(x+ba,y-ba,z)    | let ba = min y (a-x), ba > 0]
  ++ [(x   ,y-bc,z+bc) | let bc = min y (c-z), bc > 0]
  ++ [(x+ca,y   ,z-ca) | let ca = min z (a-x), ca > 0]
  ++ [(x   ,y+cb,z-cb) | let cb = min z (b-y), cb > 0]
  
tresJarras :: Problema -> Maybe [Estado]
tresJarras p = listToMaybe (solucionesTresJarras p)

import Data.Maybe (listToMaybe)

-- Para simplificar la notación se definen los tipos Problema y Estado

-- como sigue.

-- Un problema es una terna de números. El primero es la capacidad de la

-- primera jarra, el segundo el de la segunda y el tercero el de la

-- tercera.

type Problema = (Int,Int,Int)

-- Un estado es una terna de números. El primero es el contenido de la

-- jarra de A litros, el segundo el de la de B litros y el tercero el de

-- la de C litros.

type Estado = (Int,Int,Int)

solucionesTresJarras :: Problema -> [[Estado]]

solucionesTresJarras p = busca [[inicial p]]

where

busca [] = []

busca ((e:es):ns)

| esFinal p e = reverse (e:es) : busca ns

| otherwise = busca (ns ++ [e1:e:es | e1 <- sucesores p e

, e1 `notElem` es])

-- (inicial p) es el estado inicial del problema p. Por ejemplo,

-- inicial (8,5,3) == (8,0,0)

inicial :: Problema -> Estado

inicial (a,_,_) = (a,0,0)

-- (esFinal p e) es verifica si e es un estado final del problema de las

-- tres jarras p. Por ejemplo,

-- esFinal (8,5,3) (4,4,0) == True

-- esFinal (8,5,3) (4,0,4) == False

esFinal :: Problema -> Estado -> Bool

esFinal (a,_,_) (x,y,z) =

x == y && x + y == a

-- (sucesores p e) es la lista de los sucesores del estado e en el

-- problema de las tres jarras p. Por ejemplo,

-- sucesores (8,5,3) (8,0,0) == [(3,5,0),(5,0,3)]

-- sucesores (8,5,3) (3,5,0) == [(0,5,3),(8,0,0),(3,2,3)]

sucesores :: Problema -> Estado -> [Estado]

sucesores (a,b,c) (x,y,z) =

[(x-ab,y+ab,z) | let ab = min x (b-y), ab > 0]

++ [(x-ac,y ,z+ac) | let ac = min x (c-z), ac > 0]

++ [(x+ba,y-ba,z) | let ba = min y (a-x), ba > 0]

++ [(x ,y-bc,z+bc) | let bc = min y (c-z), bc > 0]

++ [(x+ca,y ,z-ca) | let ca = min z (a-x), ca > 0]

++ [(x ,y+cb,z-cb) | let cb = min z (b-y), cb > 0]

tresJarras :: Problema -> Maybe [Estado]

tresJarras p = listToMaybe (solucionesTresJarras p)

Caminos en un grafo

PorJosé A. Alonso 18-mayo-201825-abril-2021

Definir las funciones

   grafo   :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int
   caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

1 2	grafo :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

tales que

(grafo as) es el grafo no dirigido definido cuyas aristas son as. Por ejemplo,

     ghci> grafo [(2,4),(4,5)]
     G ND (array (2,5) [(2,[(4,0)]),(3,[]),(4,[(2,0),(5,0)]),(5,[(4,0)])])

1 2	ghci> grafo [(2,4),(4,5)] G ND (array (2,5) [(2,[(4,0)]),(3,[]),(4,[(2,0),(5,0)]),(5,[(4,0)])])

(caminos g a b) es la lista los caminos en el grafo g desde a hasta b sin pasar dos veces por el mismo nodo. Por ejemplo,

     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 7)
     [[1,3,5,7],[1,3,7]]
     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 2 7)
     [[2,5,3,7],[2,5,7]]
     ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 2)
     [[1,3,5,2],[1,3,7,5,2]]
     ghci> caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 4
     []
     ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
     109601

ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 7)

[[1,3,5,7],[1,3,7]]

ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 2 7)

[[2,5,3,7],[2,5,7]]

ghci> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 2)

[[1,3,5,2],[1,3,7,5,2]]

ghci> caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 4

[]

ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)

109601

Soluciones

import Data.List (sort)
import I1M.Grafo
import I1M.BusquedaEnEspaciosDeEstados

grafo :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int
grafo as = creaGrafo ND (m,n) [(x,y,0) | (x,y) <- as]
    where ns = map fst as ++ map snd as
          m  = minimum ns
          n  = maximum ns

-- 1ª solución
-- ===========

caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]
caminos g a b = aux [[b]] where 
    aux [] = []
    aux ((x:xs):yss)
        | x == a    = (x:xs) : aux yss
        | otherwise = aux ([z:x:xs | z <- adyacentes g x
                                   , z `notElem` (x:xs)] 
                           ++ yss) 

-- 2ª solución (mediante espacio de estados)
-- =========================================

caminos2 :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]
caminos2 g a b = buscaEE sucesores esFinal inicial
    where inicial          = [b]
          sucesores (x:xs) = [z:x:xs | z <- adyacentes g x
                                     , z `notElem` (x:xs)] 
          esFinal (x:xs)   = x == a

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

--    ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
--    109601
--    (3.57 secs, 500533816 bytes)
--    ghci> length (caminos2 (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
--    109601
--    (3.53 secs, 470814096 bytes)

import Data.List (sort)

import I1M.Grafo

import I1M.BusquedaEnEspaciosDeEstados

grafo :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int

grafo as = creaGrafo ND (m,n) [(x,y,0) | (x,y) <- as]

where ns = map fst as ++ map snd as

m = minimum ns

n = maximum ns

-- 1ª solución

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

caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

caminos g a b = aux [[b]] where

aux [] = []

aux ((x:xs):yss)

| x == a = (x:xs) : aux yss

| otherwise = aux ([z:x:xs | z <- adyacentes g x

, z `notElem` (x:xs)]

++ yss)

-- 2ª solución (mediante espacio de estados)

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

caminos2 :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

caminos2 g a b = buscaEE sucesores esFinal inicial

where inicial = [b]

sucesores (x:xs) = [z:x:xs | z <- adyacentes g x

, z `notElem` (x:xs)]

esFinal (x:xs) = x == a

-- Comparación de eficiencia

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

-- ghci> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)

-- 109601

-- (3.57 secs, 500533816 bytes)

-- ghci> length (caminos2 (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)

-- 109601

-- (3.53 secs, 470814096 bytes)

Sustitución de pares de elementos consecutivos iguales

PorJosé A. Alonso 17-mayo-201827-mayo-2018

Dada una lista xs se reemplaza el primer par de elementos consecutivos iguales x por x+1 y se repite el proceso con las listas obtenidas hasta que no haya ningún par de elementos consecutivos iguales. Por ejemplo, para [5,2,1,1,2,2] se tiene el siguiente proceso

       [5,2,1,1,2,2] 
   ==> [5,2,2,  2,2]
   ==> [5,3,    2,2]
   ==> [5,3,    3]
   ==> [5,4]

[5,2,1,1,2,2]

==> [5,2,2, 2,2]

==> [5,3, 2,2]

==> [5,3, 3]

==> [5,4]

Definir la función

   sustitucion :: [Int] -> [Int]

1	sustitucion :: [Int] -> [Int]

tal que (sustitucion xs) es la lista obtenida aplicándole a xs el proceso anterior. Por ejemplo,

   sustitucion [5,2,1,1,2,2]         ==  [5,4]
   sustitucion [4,2,1,1,2,2]         ==  [5]
   sustitucion [4,5,11,2,5,7,2]      ==  [4,5,11,2,5,7,2]
   sustitucion (1:[1..2*10^6])       ==  [2000001]
   length (sustitucion [1..2*10^6])  ==  2000000

sustitucion [5,2,1,1,2,2] == [5,4]

sustitucion [4,2,1,1,2,2] == [5]

sustitucion [4,5,11,2,5,7,2] == [4,5,11,2,5,7,2]

sustitucion (1:[1..2*10^6]) == [2000001]

length (sustitucion [1..2*10^6]) == 2000000

Soluciones

-- 1ª solución
-- ===========

sustitucion :: [Int] -> [Int]
sustitucion xs
  | xs == ys  = xs
  | otherwise = sustitucion ys
  where ys = sustitucionElemental xs

sustitucionElemental :: [Int] -> [Int]
sustitucionElemental []  = []
sustitucionElemental [x] = [x]
sustitucionElemental (x:y:zs)
  | x == y = x+1:zs
  | otherwise = x : sustitucionElemental (y:zs)

-- 2ª solución
-- ===========

sustitucion2 :: [Int] -> [Int]
sustitucion2 xs = until esPuntoFijo sustitucionElemental xs
  where esPuntoFijo ys = sustitucionElemental ys == ys

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

--    λ> sustitucion (1:[1..2*10^6])
--    [2000001]
--    (1.54 secs, 800,143,448 bytes)
--    λ> sustitucion2 (1:[1..2*10^6])
--    [2000001]
--    (2.21 secs, 1,072,143,584 bytes)

-- 1ª solución

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

sustitucion :: [Int] -> [Int]

sustitucion xs

| xs == ys = xs

| otherwise = sustitucion ys

where ys = sustitucionElemental xs

sustitucionElemental :: [Int] -> [Int]

sustitucionElemental [] = []

sustitucionElemental [x] = [x]

sustitucionElemental (x:y:zs)

| x == y = x+1:zs

| otherwise = x : sustitucionElemental (y:zs)

-- 2ª solución

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

sustitucion2 :: [Int] -> [Int]

sustitucion2 xs = until esPuntoFijo sustitucionElemental xs

where esPuntoFijo ys = sustitucionElemental ys == ys

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> sustitucion (1:[1..2*10^6])

-- [2000001]

-- (1.54 secs, 800,143,448 bytes)

-- λ> sustitucion2 (1:[1..2*10^6])

-- [2000001]

-- (2.21 secs, 1,072,143,584 bytes)

Grafo de divisibilidad

PorJosé A. Alonso 14-mayo-201825-abril-2021

El grafo de divisibilidad de orden n es el grafo cuyos nodos son los números naturales entre 1 y n, cuyas aristas son los pares (x,y) tales que x divide a y o y divide a x. El coste de cada arista es el cociente entre su mayor y menor elemento.

Definir las siguientes funciones:

   grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int
   coste              :: Int -> Int

1 2	grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int coste :: Int -> Int

tales que

(grafoDivisibilidad n) es el grafo de divisibilidad de orden n. Por ejemplo,

      λ> grafoDivisibilidad 12
      G ND (array (1,12)
                  [(1,[(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(6,6),(7,7),
                       (8,8),(9,9),(10,10),(11,11),(12,12)]),
                   (2,[(1,2),(4,2),(6,3),(8,4),(10,5),(12,6)]),
                   (3,[(1,3),(6,2),(9,3),(12,4)]),
                   (4,[(1,4),(2,2),(8,2),(12,3)]),
                   (5,[(1,5),(10,2)]),
                   (6,[(1,6),(2,3),(3,2),(12,2)]),
                   (7,[(1,7)]),
                   (8,[(1,8),(2,4),(4,2)]),
                   (9,[(1,9),(3,3)]),
                   (10,[(1,10),(2,5),(5,2)]),
                   (11,[(1,11)]),
                   (12,[(1,12),(2,6),(3,4),(4,3),(6,2)])])

λ> grafoDivisibilidad 12

G ND (array (1,12)

[(1,[(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(6,6),(7,7),

(8,8),(9,9),(10,10),(11,11),(12,12)]),

(2,[(1,2),(4,2),(6,3),(8,4),(10,5),(12,6)]),

(3,[(1,3),(6,2),(9,3),(12,4)]),

(4,[(1,4),(2,2),(8,2),(12,3)]),

(5,[(1,5),(10,2)]),

(6,[(1,6),(2,3),(3,2),(12,2)]),

(7,[(1,7)]),

(8,[(1,8),(2,4),(4,2)]),

(9,[(1,9),(3,3)]),

(10,[(1,10),(2,5),(5,2)]),

(11,[(1,11)]),

(12,[(1,12),(2,6),(3,4),(4,3),(6,2)])])

(coste n) es el coste del árbol de expansión mínimo del grafo de divisibilidad de orden n. Por ejemplo,

      coste 12        ==  41
      coste 3000      ==  605305
      coste (2*10^5)  ==  1711798835

coste 12 == 41

coste 3000 == 605305

coste (2*10^5) == 1711798835

Soluciones

import Data.Ix
import Data.List (delete, sort)
import qualified Data.Set as S
import I1M.Grafo
import I1M.Tabla
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int
grafoDivisibilidad n =
  creaGrafo ND (1,n) [(x,y,y `div` x) | y <- [1..n]
                                      , x <- [1..y-1]
                                      , y `mod` x == 0]

-- 1ª solución (con el algoritmo de Kruskal)
-- =========================================

coste1 :: Int -> Int
coste1 n = sum [p | (p,x,y) <- kruskal (grafoDivisibilidad n)]

-- (kruskal g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Kruskal. Por ejemplo,
--    λ> kruskal (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(5,1,5),(3,3,9),(3,1,3),(2,6,12),(2,5,10),
--     (2,4,8),(2,3,6),(2,2,4),(2,1,2)]
kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
kruskal g = kruskal' cola                           -- Cola ordenada
                     (tabla [(x,x) | x <- nodos g]) -- Tabla de raices
                     []                             -- Árbol de expansión
                     (length (nodos g) - 1)         -- Aristas por
                                                    -- colocar
    where cola = sort [(p,x,y) | (x,y,p) <- aristas g]

kruskal' ((p,x,y):as) t ae n 
  | n == 0      = ae
  | actualizado = kruskal' as t' ((p,x,y):ae) (n-1)
  | otherwise   = kruskal' as t  ae           n
  where (actualizado,t') = buscaActualiza (x,y) t

-- (raiz t n) es la raíz de n en la tabla t. Por ejemplo,
--    raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 5  == 1
--    raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 2  == 6
raiz:: Eq n => Tabla n n -> n -> n
raiz t x | v == x    = v
         | otherwise = raiz t v
         where v = valor t x

-- (buscaActualiza a t) es el par formado por False y la tabla t, si los
-- dos vértices de la arista a tienen la misma raíz en t y el par
-- formado por True y la tabla obtenida añadiéndole a t la arista
-- formada por el vértice de a de mayor raíz y la raíz del vértice de
-- a de menor raíz. Por ejemplo,
--    ghci> let t = crea [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)]
--    ghci> buscaActualiza (2,3) t
--    (True,Tbl [(1,1),(2,1),(3,1),(4,1)])
--    ghci> buscaActualiza (3,4) t
--    (False,Tbl [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)])
buscaActualiza :: (Eq n, Ord n) => (n,n) -> Tabla n n -> (Bool,Tabla n n)
buscaActualiza (x,y) t 
  | x' == y'  = (False, t) 
  | y' <  x'  = (True, modifica (x,y') t)
  | otherwise = (True, modifica (y,x') t)
  where x' = raiz t x 
        y' = raiz t y

-- 2ª solución (con el algoritmo de Prim)
-- ======================================

coste2 :: Int -> Int
coste2 n = sum [p | (p,x,y) <- prim (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,
--    λ> prim (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),
--     (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]
prim :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
prim g = prim' [n]              -- Nodos colocados
               ns               -- Nodos por colocar 
               []               -- Árbol de expansión
               (aristas g)      -- Aristas del grafo
         where (n:ns) = nodos g

prim' t [] ae as = ae
prim' t r  ae as = prim' (v':t) (delete v' r) (e:ae) as
  where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,
                                         u `elem` t, 
                                         v `elem` r]

-- 3ª solución (con el algoritmo de Prim con conjuntos)
-- ====================================================

coste3 :: Int -> Int
coste3 n = sum [p | (p,x,y) <- prim2 (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim2 g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,
--    λ> prim2 (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),
--     (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]
prim2 :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
prim2 g = prim2' (S.singleton n)  -- Nodos colocados
                 (S.fromList ns)  -- Nodos por colocar 
                 []               -- Árbol de expansión
                 (aristas g)      -- Aristas del grafo
  where (n:ns) = nodos g

prim2' t r ae as
  | S.null r  = ae
  | otherwise = prim2' (S.insert v' t)
                       (S.delete v' r)
                       (e:ae)
                       as
  where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,
                                         S.member u t, 
                                         S.member v r]

-- 4ª solución
-- ===========

coste4 :: Int -> Int
coste4 n = sum [head (primeFactors x) | x <- [2..n]]

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

--    λ> coste1 400
--    14923
--    (0.08 secs, 31,336,440 bytes)
--    λ> coste2 400
--    14923
--    (4.54 secs, 220,745,608 bytes)
--    λ> coste3 400
--    14923
--    (0.69 secs, 217,031,144 bytes)
--    λ> coste4 400
--    14923
--    (0.01 secs, 2,192,336 bytes)
--    
--    λ> coste1 2000
--    284105
--    (2.09 secs, 842,601,904 bytes)
--    λ> coste4 2000
--    284105
--    (0.02 secs, 14,586,888 bytes)

100

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144

import Data.Ix

import Data.List (delete, sort)

import qualified Data.Set as S

import I1M.Grafo

import I1M.Tabla

import Data.Numbers.Primes (primeFactors)

grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int

grafoDivisibilidad n =

creaGrafo ND (1,n) [(x,y,y `div` x) | y <- [1..n]

, x <- [1..y-1]

, y `mod` x == 0]

-- 1ª solución (con el algoritmo de Kruskal)

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

coste1 :: Int -> Int

coste1 n = sum [p | (p,x,y) <- kruskal (grafoDivisibilidad n)]

-- (kruskal g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado

-- mediante el algoritmo de Kruskal. Por ejemplo,

-- λ> kruskal (grafoDivisibilidad 12)

-- [(11,1,11),(7,1,7),(5,1,5),(3,3,9),(3,1,3),(2,6,12),(2,5,10),

-- (2,4,8),(2,3,6),(2,2,4),(2,1,2)]

kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

kruskal g = kruskal' cola -- Cola ordenada

(tabla [(x,x) | x <- nodos g]) -- Tabla de raices

[] -- Árbol de expansión

(length (nodos g) - 1) -- Aristas por

-- colocar

where cola = sort [(p,x,y) | (x,y,p) <- aristas g]

kruskal' ((p,x,y):as) t ae n

| n == 0 = ae

| actualizado = kruskal' as t' ((p,x,y):ae) (n-1)

| otherwise = kruskal' as t ae n

where (actualizado,t') = buscaActualiza (x,y) t

-- (raiz t n) es la raíz de n en la tabla t. Por ejemplo,

-- raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 5 == 1

-- raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 2 == 6

raiz:: Eq n => Tabla n n -> n -> n

raiz t x | v == x = v

| otherwise = raiz t v

where v = valor t x

-- (buscaActualiza a t) es el par formado por False y la tabla t, si los

-- dos vértices de la arista a tienen la misma raíz en t y el par

-- formado por True y la tabla obtenida añadiéndole a t la arista

-- formada por el vértice de a de mayor raíz y la raíz del vértice de

-- a de menor raíz. Por ejemplo,

-- ghci> let t = crea [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)]

-- ghci> buscaActualiza (2,3) t

-- (True,Tbl [(1,1),(2,1),(3,1),(4,1)])

-- ghci> buscaActualiza (3,4) t

-- (False,Tbl [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)])

buscaActualiza :: (Eq n, Ord n) => (n,n) -> Tabla n n -> (Bool,Tabla n n)

buscaActualiza (x,y) t

| x' == y' = (False, t)

| y' < x' = (True, modifica (x,y') t)

| otherwise = (True, modifica (y,x') t)

where x' = raiz t x

y' = raiz t y

-- 2ª solución (con el algoritmo de Prim)

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

coste2 :: Int -> Int

coste2 n = sum [p | (p,x,y) <- prim (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado

-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,

-- λ> prim (grafoDivisibilidad 12)

-- [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),

-- (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]

prim :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

prim g = prim' [n] -- Nodos colocados

ns -- Nodos por colocar

[] -- Árbol de expansión

(aristas g) -- Aristas del grafo

where (n:ns) = nodos g

prim' t [] ae as = ae

prim' t r ae as = prim' (v':t) (delete v' r) (e:ae) as

where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,

u `elem` t,

v `elem` r]

-- 3ª solución (con el algoritmo de Prim con conjuntos)

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

coste3 :: Int -> Int

coste3 n = sum [p | (p,x,y) <- prim2 (grafoDivisibilidad n)]

-- (prim2 g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado

-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,

-- λ> prim2 (grafoDivisibilidad 12)

-- [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),

-- (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]

prim2 :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

prim2 g = prim2' (S.singleton n) -- Nodos colocados

(S.fromList ns) -- Nodos por colocar

[] -- Árbol de expansión

(aristas g) -- Aristas del grafo

where (n:ns) = nodos g

prim2' t r ae as

| S.null r = ae

| otherwise = prim2' (S.insert v' t)

(S.delete v' r)

(e:ae)

where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,

S.member u t,

S.member v r]

-- 4ª solución

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

coste4 :: Int -> Int

coste4 n = sum [head (primeFactors x) | x <- [2..n]]

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> coste1 400

-- 14923

-- (0.08 secs, 31,336,440 bytes)

-- λ> coste2 400

-- 14923

-- (4.54 secs, 220,745,608 bytes)

-- λ> coste3 400

-- 14923

-- (0.69 secs, 217,031,144 bytes)

-- λ> coste4 400

-- 14923

-- (0.01 secs, 2,192,336 bytes)

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Caminos reducidos

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