scaleMatrix

Matrices de Hadamard

PorJosé A. Alonso 16-abril-202029-abril-2020

Las matrices de Hadamard se definen recursivamente como sigue

   λ> hadamard 0
   ( 1 )
   
   λ> hadamard 1
   (  1  1 )
   (  1 -1 )
   
   λ> hadamard 2
   (  1  1  1  1 )
   (  1 -1  1 -1 )
   (  1  1 -1 -1 )
   (  1 -1 -1  1 )
   
   λ> hadamard 3
   (  1  1  1  1  1  1  1  1 )
   (  1 -1  1 -1  1 -1  1 -1 )
   (  1  1 -1 -1  1  1 -1 -1 )
   (  1 -1 -1  1  1 -1 -1  1 )
   (  1  1  1  1 -1 -1 -1 -1 )
   (  1 -1  1 -1 -1  1 -1  1 )
   (  1  1 -1 -1 -1 -1  1  1 )
   (  1 -1 -1  1 -1  1  1 -1 )

λ> hadamard 0

( 1 )

λ> hadamard 1

( 1 1 )

( 1 -1 )

λ> hadamard 2

( 1 1 1 1 )

( 1 -1 1 -1 )

( 1 1 -1 -1 )

( 1 -1 -1 1 )

λ> hadamard 3

( 1 1 1 1 1 1 1 1 )

( 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 )

( 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 )

( 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 )

( 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 )

( 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 )

( 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 )

( 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 )

En general, la n-ésima matriz de Hadamard, H(n), es

   ( H(n-1)  H(n-1) )
   ( H(n-1) -H(n-1) )

1 2	( H(n-1) H(n-1) ) ( H(n-1) -H(n-1) )

Definir la función

   hadamard :: Int -> Matrix Int

1	hadamard :: Int -> Matrix Int

tal que (hadamard n) es la n-ésima matriz de Hadamard.

Comprobar con QuickCheck que para todo número natural n, el producto de la n-ésima matriz de Hadamard y su traspuesta es igual al producto de 2^n por la matriz identidad de orden 2^n.

Soluciones

import Data.Matrix (Matrix, identity, joinBlocks, scaleMatrix, transpose)
import Test.QuickCheck 

hadamard :: Int -> Matrix Int
hadamard 0 = identity 1
hadamard n = joinBlocks (a, a, a, b)
  where a = hadamard (n-1)
        b = scaleMatrix (-1) a

-- La propiedad es
prop_Hadamard :: (Positive Int) -> Bool
prop_Hadamard (Positive n) =
  h * transpose h == scaleMatrix (2^n) (identity (2^n))
  where h = hadamard n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_Hadamard
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.Matrix (Matrix, identity, joinBlocks, scaleMatrix, transpose)

import Test.QuickCheck

hadamard :: Int -> Matrix Int

hadamard 0 = identity 1

hadamard n = joinBlocks (a, a, a, b)

where a = hadamard (n-1)

b = scaleMatrix (-1) a

-- La propiedad es

prop_Hadamard :: (Positive Int) -> Bool

prop_Hadamard (Positive n) =

h * transpose h == scaleMatrix (2^n) (identity (2^n))

where h = hadamard n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_Hadamard

-- +++ 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>

Producto de Kronecker

PorJosé A. Alonso 28-febrero-20207-marzo-2020

Si $A$ es una matriz $m \times n$ y $B$ es una matriz $p \times q$ , entonces el producto de Kronecker $A \otimes B$ es la matriz bloque $mp \times nq$

Más explícitamente, tenemos

Por ejemplo,

Definir la función

   kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

1	kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

tal que (kronecker a b) es el producto de Kronecker de las matrices a y b. Por ejemplo,

   λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,1]]) (fromLists [[0,3],[2,1]])
   ┌         ┐
   │ 0 3 0 6 │
   │ 2 1 4 2 │
   │ 0 9 0 3 │
   │ 6 3 2 1 │
   └         ┘
   λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,4]]) (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]])
   ┌             ┐
   │  2  1  4  2 │
   │ -1  0 -2  0 │
   │  3  2  6  4 │
   │  6  3  8  4 │
   │ -3  0 -4  0 │
   │  9  6 12  8 │
   └             ┘
   λ> kronecker (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]]) (fromLists [[1,2],[3,4]])
   ┌             ┐
   │  2  4  1  2 │
   │  6  8  3  4 │
   │ -1 -2  0  0 │
   │ -3 -4  0  0 │
   │  3  6  2  4 │
   │  9 12  6  8 │
   └             ┘

λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,1]]) (fromLists [[0,3],[2,1]])

┌ ┐

│ 0 3 0 6 │

│ 2 1 4 2 │

│ 0 9 0 3 │

│ 6 3 2 1 │

└ ┘

λ> kronecker (fromLists [[1,2],[3,4]]) (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]])

┌ ┐

│ 2 1 4 2 │

│ -1 0 -2 0 │

│ 3 2 6 4 │

│ 6 3 8 4 │

│ -3 0 -4 0 │

│ 9 6 12 8 │

└ ┘

λ> kronecker (fromLists [[2,1],[-1,0],[3,2]]) (fromLists [[1,2],[3,4]])

┌ ┐

│ 2 4 1 2 │

│ 6 8 3 4 │

│ -1 -2 0 0 │

│ -3 -4 0 0 │

│ 3 6 2 4 │

│ 9 12 6 8 │

└ ┘

Soluciones

import Data.Matrix

-- 1ª solución
-- ===========

kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t
kronecker a b =
  matrix (m*p) (n*q) f
  where m = nrows a
        n = ncols a
        p = nrows b
        q = ncols b
        f (i,j) = a !(k+1,r+1) * b!(l+1,s+1)
          where (k,l) = quotRem (i-1) p
                (r,s) = quotRem (j-1) q

-- 2ª solución
-- ===========

kronecker2 a b = bloqueFila a b (ncols a)
  where
    bloque (i,j) a b = scaleMatrix (a!(i,j)) b
    bloqueFila a b 1 = bloqueColumna 1 a b
    bloqueFila a b n = bloqueFila a b (n-1) <|> bloqueColumna n a b
    bloqueColumna j a b = aux a b (nrows a)
      where aux a b 1 = bloque (1,j) a b
            aux a b n = aux a b (n-1) <-> bloque (n,j) a b

-- 3ª solución
-- ===========

kronecker3 :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t
kronecker3 a b =
  foldl1 (<->) [foldl1 (<|>) [scaleMatrix (a!(i,j)) b
                             | j <- [1..ncols b]]
                             | i <- [1..nrows a]]

import Data.Matrix

-- 1ª solución

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

kronecker :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

kronecker a b =

matrix (m*p) (n*q) f

where m = nrows a

n = ncols a

p = nrows b

q = ncols b

f (i,j) = a !(k+1,r+1) * b!(l+1,s+1)

where (k,l) = quotRem (i-1) p

(r,s) = quotRem (j-1) q

-- 2ª solución

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

kronecker2 a b = bloqueFila a b (ncols a)

where

bloque (i,j) a b = scaleMatrix (a!(i,j)) b

bloqueFila a b 1 = bloqueColumna 1 a b

bloqueFila a b n = bloqueFila a b (n-1) <|> bloqueColumna n a b

bloqueColumna j a b = aux a b (nrows a)

where aux a b 1 = bloque (1,j) a b

aux a b n = aux a b (n-1) <-> bloque (n,j) a b

-- 3ª solución

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

kronecker3 :: Num t => Matrix t -> Matrix t -> Matrix t

kronecker3 a b =

foldl1 (<->) [foldl1 (<|>) [scaleMatrix (a!(i,j)) b

| j <- [1..ncols b]]

| i <- [1..nrows a]]

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

«La resolución de problemas es una habilidad práctica como, digamos, la natación. Adquirimos cualquier habilidad práctica por imitación y práctica. Tratando de nadar, imitas lo que otras personas hacen con sus manos y pies para mantener sus cabezas sobre el agua, y, finalmente, aprendes a nadar practicando la natación. Al intentar resolver problemas, hay que observar e imitar lo que hacen otras personas al resolver problemas y, finalmente, se aprende a resolver problemas haciéndolos.»

George Pólya.

Matrices de Hadamard

PorJosé A. Alonso 17-abril-201825-abril-2021

Las matrices de Hadamard se definen recursivamente como sigue

   λ> hadamard 0
   ( 1 )
   
   λ> hadamard 1
   (  1  1 )
   (  1 -1 )
   
   λ> hadamard 2
   (  1  1  1  1 )
   (  1 -1  1 -1 )
   (  1  1 -1 -1 )
   (  1 -1 -1  1 )
   
   λ> hadamard 3
   (  1  1  1  1  1  1  1  1 )
   (  1 -1  1 -1  1 -1  1 -1 )
   (  1  1 -1 -1  1  1 -1 -1 )
   (  1 -1 -1  1  1 -1 -1  1 )
   (  1  1  1  1 -1 -1 -1 -1 )
   (  1 -1  1 -1 -1  1 -1  1 )
   (  1  1 -1 -1 -1 -1  1  1 )
   (  1 -1 -1  1 -1  1  1 -1 )

λ> hadamard 0

( 1 )

λ> hadamard 1

( 1 1 )

( 1 -1 )

λ> hadamard 2

( 1 1 1 1 )

( 1 -1 1 -1 )

( 1 1 -1 -1 )

( 1 -1 -1 1 )

λ> hadamard 3

( 1 1 1 1 1 1 1 1 )

( 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 )

( 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 )

( 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 )

( 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 )

( 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 )

( 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 )

( 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 )

En general, la n-ésima matriz de Hadamard, H(n), es

   ( H(n-1)  H(n-1) )
   ( H(n-1) -H(n-1) )

1 2	( H(n-1) H(n-1) ) ( H(n-1) -H(n-1) )

Definir la función

   hadamard :: Int -> Matrix Int

1	hadamard :: Int -> Matrix Int

tal que (hadamard n) es la n-ésima matriz de Hadamard.

Comprobar con QuickCheck que para todo número natural n, el producto de la n-ésima matriz de Hadamard y su traspuesta es igual al producto de 2^n por la matriz identidad de orden 2^n.

Soluciones

import Data.Matrix (Matrix, identity, joinBlocks, scaleMatrix, transpose)
import Test.QuickCheck 

hadamard :: Int -> Matrix Int
hadamard 0 = identity 1
hadamard n = joinBlocks (a, a, a, b)
  where a = hadamard (n-1)
        b = scaleMatrix (-1) a

-- La propiedad es
prop_Hadamard :: (Positive Int) -> Bool
prop_Hadamard (Positive n) =
  h * transpose h == scaleMatrix (2^n) (identity (2^n))
  where h = hadamard n

-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_Hadamard
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.Matrix (Matrix, identity, joinBlocks, scaleMatrix, transpose)

import Test.QuickCheck

hadamard :: Int -> Matrix Int

hadamard 0 = identity 1

hadamard n = joinBlocks (a, a, a, b)

where a = hadamard (n-1)

b = scaleMatrix (-1) a

-- La propiedad es

prop_Hadamard :: (Positive Int) -> Bool

prop_Hadamard (Positive n) =

h * transpose h == scaleMatrix (2^n) (identity (2^n))

where h = hadamard n

-- La comprobación es

-- λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_Hadamard

-- +++ OK, passed 100 tests.

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