sort

El problema de las N torres

PorJosé A. Alonso 5-junio-201825-abril-2021

El problema de las N torres consiste en colocar N torres en un tablero con N filas y N columnas de forma que no haya dos torres en la misma fila ni en la misma columna.

Cada solución del problema de puede representar mediante una matriz con ceros y unos donde los unos representan las posiciones ocupadas por las torres y los ceros las posiciones libres. Por ejemplo,

   ( 0 1 0 )
   ( 1 0 0 )
   ( 0 0 1 )

( 0 1 0 )

( 1 0 0 )

( 0 0 1 )

representa una solución del problema de las 3 torres.

Definir las funciones

   torres  :: Int -> [Matrix Int]
   nTorres :: Int -> Integer

1 2	torres :: Int -> [Matrix Int] nTorres :: Int -> Integer

tales que
+ (torres n) es la lista de las soluciones del problema de las n torres. Por ejemplo,

      λ> torres 3
      [( 1 0 0 )
       ( 0 1 0 )
       ( 0 0 1 )
      ,( 1 0 0 )
       ( 0 0 1 )
       ( 0 1 0 )
      ,( 0 1 0 )
       ( 1 0 0 )
       ( 0 0 1 )
      ,( 0 1 0 )
       ( 0 0 1 )
       ( 1 0 0 )
      ,( 0 0 1 )
       ( 1 0 0 )
       ( 0 1 0 )
      ,( 0 0 1 )
       ( 0 1 0 )
       ( 1 0 0 )
      ]

λ> torres 3

[( 1 0 0 )

( 0 1 0 )

( 0 0 1 )

,( 1 0 0 )

( 0 0 1 )

( 0 1 0 )

,( 0 1 0 )

( 1 0 0 )

( 0 0 1 )

,( 0 1 0 )

( 0 0 1 )

( 1 0 0 )

,( 0 0 1 )

( 1 0 0 )

( 0 1 0 )

,( 0 0 1 )

( 0 1 0 )

( 1 0 0 )

]

(nTorres n) es el número de soluciones del problema de las n torres. Por ejemplo,

      λ> nTorres 3
      6
      λ> length (show (nTorres (10^4)))
      35660

λ> nTorres 3

λ> length (show (nTorres (10^4)))

35660

Soluciones

[schedule expon=’2018-06-12′ expat=»06:00″]

Las soluciones se pueden escribir en los comentarios hasta el 17 de abril.
El código se debe escribir entre una línea con <pre lang=»haskell»> y otra con </pre>

[/schedule]

[schedule on=’2018-06-12′ at=»06:00″]

import Data.List (genericLength, sort, permutations)
import Data.Matrix 

-- 1ª definición de torres
-- =======================

torres1 :: Int -> [Matrix Int]
torres1 n = 
    [permutacionAmatriz n p | p <- sort (permutations [1..n])]

permutacionAmatriz :: Int -> [Int] -> Matrix Int
permutacionAmatriz n p =
    matrix n n f
    where f (i,j) | (i,j) `elem` posiciones = 1
                  | otherwise               = 0
          posiciones = zip [1..n] p    

-- 2ª definición de torres
-- =======================

torres2 :: Int -> [Matrix Int]
torres2 = map fromLists . permutations . toLists . identity

-- El cálculo con la definición anterior es:
--    λ> identity 3
--    ( 1 0 0 )
--    ( 0 1 0 )
--    ( 0 0 1 )
--    
--    λ> toLists it
--    [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
--    λ> permutations it
--    [[[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]],
--     [[0,1,0],[1,0,0],[0,0,1]],
--     [[0,0,1],[0,1,0],[1,0,0]],
--     [[0,1,0],[0,0,1],[1,0,0]],
--     [[0,0,1],[1,0,0],[0,1,0]],
--     [[1,0,0],[0,0,1],[0,1,0]]]
--    λ> map fromLists it
--    [( 1 0 0 )
--     ( 0 1 0 )
--     ( 0 0 1 )
--    ,( 0 1 0 )
--     ( 1 0 0 )
--     ( 0 0 1 )
--    ,( 0 0 1 )
--     ( 0 1 0 )
--     ( 1 0 0 )
--    ,( 0 1 0 )
--     ( 0 0 1 )
--     ( 1 0 0 )
--    ,( 0 0 1 )
--     ( 1 0 0 )
--     ( 0 1 0 )
--    ,( 1 0 0 )
--     ( 0 0 1 )
--     ( 0 1 0 )
--    ]

-- 1ª definición de nTorres
-- ========================

nTorres1 :: Int -> Integer
nTorres1 = genericLength . torres1

-- 2ª definición de nTorres
-- ========================

nTorres2 :: Int -> Integer
nTorres2 n = product [1..fromIntegral n]

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

--    λ> nTorres1 9
--    362880
--    (4.22 secs, 693,596,128 bytes)
--    λ> nTorres2 9
--    362880
--    (0.00 secs, 0 bytes)

import Data.List (genericLength, sort, permutations)

import Data.Matrix

-- 1ª definición de torres

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

torres1 :: Int -> [Matrix Int]

torres1 n =

[permutacionAmatriz n p | p <- sort (permutations [1..n])]

permutacionAmatriz :: Int -> [Int] -> Matrix Int

permutacionAmatriz n p =

matrix n n f

where f (i,j) | (i,j) `elem` posiciones = 1

| otherwise = 0

posiciones = zip [1..n] p

-- 2ª definición de torres

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

torres2 :: Int -> [Matrix Int]

torres2 = map fromLists . permutations . toLists . identity

-- El cálculo con la definición anterior es:

-- λ> identity 3

-- ( 1 0 0 )

-- ( 0 1 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- λ> toLists it

-- [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]

-- λ> permutations it

-- [[[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]],

-- [[0,1,0],[1,0,0],[0,0,1]],

-- [[0,0,1],[0,1,0],[1,0,0]],

-- [[0,1,0],[0,0,1],[1,0,0]],

-- [[0,0,1],[1,0,0],[0,1,0]],

-- [[1,0,0],[0,0,1],[0,1,0]]]

-- λ> map fromLists it

-- [( 1 0 0 )

-- ( 0 1 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ,( 0 1 0 )

-- ( 1 0 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ,( 0 0 1 )

-- ( 0 1 0 )

-- ( 1 0 0 )

-- ,( 0 1 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ( 1 0 0 )

-- ,( 0 0 1 )

-- ( 1 0 0 )

-- ( 0 1 0 )

-- ,( 1 0 0 )

-- ( 0 0 1 )

-- ( 0 1 0 )

-- ]

-- 1ª definición de nTorres

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

nTorres1 :: Int -> Integer

nTorres1 = genericLength . torres1

-- 2ª definición de nTorres

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

nTorres2 :: Int -> Integer

nTorres2 n = product [1..fromIntegral n]

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> nTorres1 9

-- 362880

-- (4.22 secs, 693,596,128 bytes)

-- λ> nTorres2 9

-- 362880

-- (0.00 secs, 0 bytes)

[/schedule]

Representaciones de grafos

PorJosé A. Alonso 22-mayo-201829-mayo-2018

Los grafos no dirigidos puede representarse mediante matrices de adyacencia y también mediante listas de adyacencia. Por ejemplo, el grafo

   1 ----- 2
   | \     |
   |  3    |
   | /     |
   4 ----- 5

1 ----- 2

| \ |

| 3 |

| / |

4 ----- 5

se puede representar por la matriz de adyacencia

   |0 1 1 1 0|
   |1 0 0 0 1|
   |1 0 0 1 0|
   |1 0 1 0 1|
   |0 1 0 1 0|

|0 1 1 1 0|

|1 0 0 0 1|

|1 0 0 1 0|

|1 0 1 0 1|

|0 1 0 1 0|

donde el elemento (i,j) es 1 si hay una arista entre los vértices i y j y es 0 si no la hay. También se puede representar por la lista de adyacencia

   [(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]

1	[(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]

donde las primeras componentes son los vértices y las segundas la lista de los vértices conectados.

Definir las funciones

   matrizAlista :: Matrix Int -> [(Int,[Int])]
   listaAmatriz :: [(Int,[Int])] -> Matrix Int

1 2	matrizAlista :: Matrix Int -> [(Int,[Int])] listaAmatriz :: [(Int,[Int])] -> Matrix Int

tales que

(matrizAlista a) es la lista de adyacencia correspondiente a la matriz de adyacencia a. Por ejemplo, definiendo la matriz anterior por

     ejMatriz :: Matrix Int
     ejMatriz = fromLists [[0,1,1,1,0],
                           [1,0,0,0,1],
                           [1,0,0,1,0],
                           [1,0,1,0,1],
                           [0,1,0,1,0]]

ejMatriz :: Matrix Int

ejMatriz = fromLists [[0,1,1,1,0],

[1,0,0,0,1],

[1,0,0,1,0],

[1,0,1,0,1],

[0,1,0,1,0]]

se tiene que

     λ> matrizAlista ejMatriz
     [(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]

1 2	λ> matrizAlista ejMatriz [(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]

(listaAmatriz ps) es la matriz de adyacencia correspondiente a la lista de adyacencia ps. Por ejemplo,

     λ> listaAmatriz [(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]
     ( 0 1 1 1 0 )
     ( 1 0 0 0 1 )
     ( 1 0 0 1 0 )
     ( 1 0 1 0 1 )
     ( 0 1 0 1 0 )
     λ> matrizAlista it
     [(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]

λ> listaAmatriz [(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]

( 0 1 1 1 0 )

( 1 0 0 0 1 )

( 1 0 0 1 0 )

( 1 0 1 0 1 )

( 0 1 0 1 0 )

λ> matrizAlista it

[(1,[2,3,4]),(2,[1,5]),(3,[1,4]),(4,[1,3,5]),(5,[2,4])]

Soluciones

import Data.List (sort)
import Data.Matrix

ejMatriz :: Matrix Int
ejMatriz = fromLists [[0,1,1,1,0],
                      [1,0,0,0,1],
                      [1,0,0,1,0],
                      [1,0,1,0,1],
                      [0,1,0,1,0]]

matrizAlista :: Matrix Int -> [(Int,[Int])]
matrizAlista a = 
  [(i,[j | j <- [1..n], a!(i,j) == 1]) | i <- [1..n]]
  where n = nrows a

listaAmatriz :: [(Int,[Int])] -> Matrix Int
listaAmatriz ps = fromLists [fila n xs | (_,xs) <- sort ps]
  where n = length ps
        fila n xs = [f i | i <- [1..n]]
          where f i | i `elem` xs = 1
                    | otherwise   = 0

import Data.List (sort)

import Data.Matrix

ejMatriz :: Matrix Int

ejMatriz = fromLists [[0,1,1,1,0],

[1,0,0,0,1],

[1,0,0,1,0],

[1,0,1,0,1],

[0,1,0,1,0]]

matrizAlista :: Matrix Int -> [(Int,[Int])]

matrizAlista a =

[(i,[j | j <- [1..n], a!(i,j) == 1]) | i <- [1..n]]

where n = nrows a

listaAmatriz :: [(Int,[Int])] -> Matrix Int

listaAmatriz ps = fromLists [fila n xs | (_,xs) <- sort ps]

where n = length ps

fila n xs = [f i | i <- [1..n]]

where f i | i `elem` xs = 1

| otherwise = 0

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)

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)

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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)

-- λ> coste1 2000

-- 284105

-- (2.09 secs, 842,601,904 bytes)

-- λ> coste4 2000

-- 284105

-- (0.02 secs, 14,586,888 bytes)

Subconjuntos con suma dada

PorJosé A. Alonso 25-abril-20182-mayo-2018

Sea S un conjunto finito de números enteros positivos y n un número natural. El problema consiste en calcular los subconjuntos de S cuya suma es n.

Definir la función

   subconjuntosSuma:: [Int] -> Int -> [[Int]] tal que

1	subconjuntosSuma:: [Int] -> Int -> [[Int]] tal que

tal que (subconjuntosSuma xs n) es la lista de los subconjuntos de xs cuya suma es n. Por ejemplo,

   λ> subconjuntosSuma [3,34,4,12,5,2] 9
   [[4,5],[3,4,2]]
   λ> subconjuntosSuma [3,34,4,12,5,2] 13
   []
   λ> length (subconjuntosSuma [1..100] (sum [1..100]))
   1

λ> subconjuntosSuma [3,34,4,12,5,2] 9

[[4,5],[3,4,2]]

λ> subconjuntosSuma [3,34,4,12,5,2] 13

[]

λ> length (subconjuntosSuma [1..100] (sum [1..100]))

Soluciones

import Data.Array
import qualified Data.Matrix as M
import Data.Maybe
import Data.List
import Test.QuickCheck

-- 1ª definición (Calculando todos los subconjuntos)
-- =================================================

subconjuntosSuma1 :: [Int] -> Int -> [[Int]]
subconjuntosSuma1 xs n =
  [ys | ys <- subsequences xs, sum ys == n]

-- 2ª definición (por recursión)
-- =============================

subconjuntosSuma2 :: [Int] -> Int -> [[Int]]
subconjuntosSuma2 _  0 = [[]]
subconjuntosSuma2 [] _ = []
subconjuntosSuma2 (x:xs) n
  | n < x     = subconjuntosSuma2 xs n
  | otherwise = subconjuntosSuma2 xs n ++
                [x:ys | ys <- subconjuntosSuma2 xs (n-x)]

-- 3ª definición (por programación dinámica)
-- =========================================

subconjuntosSuma3 :: [Int] -> Int -> [[Int]]
subconjuntosSuma3 xs n =
  map reverse (matrizSubconjuntosSuma3 xs n ! (length xs,n))

-- (matrizSubconjuntosSuma3 xs m) es la matriz q tal que q(i,j) es la
-- lista de los subconjuntos de (take i xs) que suman j. Por ejemplo,
--    λ> elems (matrizSubconjuntosSuma3 [1,3,5] 9)
--    [[[]],[],   [],[],   [],     [],   [],     [],[],    [],
--     [[]],[[1]],[],[],   [],     [],   [],     [],[],    [],
--     [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[],   [],     [],[],    [],
--     [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[[5]],[[5,1]],[],[[5,3]],[[5,3,1]]]
-- Con las cabeceras,
--            0    1     2  3     4       5     6       7  8       9 
--    []     [[[]],[],   [],[],   [],     [],   [],     [],[],    [],
--    [1]     [[]],[[1]],[],[],   [],     [],   [],     [],[],    [],
--    [1,3]   [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[],   [],     [],[],    [],
--    [1,3,5] [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[[5]],[[5,1]],[],[[5,3]],[[5,3,1]]]
matrizSubconjuntosSuma3 :: [Int] -> Int -> Array (Int,Int) [[Int]]
matrizSubconjuntosSuma3 xs n = q
  where m = length xs
        v = listArray (1,m) xs
        q = array ((0,0),(m,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..m],
                                                  j <- [0..n]]
        f _ 0 = [[]]
        f 0 _ = []
        f i j | j < v ! i = q ! (i-1,j)
              | otherwise = q ! (i-1,j) ++
                            [v!i:ys | ys <- q ! (i-1,j-v!i)]

-- 4ª definición (ordenando y por recursión)
-- =========================================

subconjuntosSuma4 :: [Int] -> Int -> [[Int]]
subconjuntosSuma4 xs = aux (sort xs)
  where aux _  0 = [[]]
        aux [] _ = []
        aux (y:ys) n
          | y > n     = []
          | otherwise = aux ys n ++ [y:zs | zs <- aux ys (n-y)]

-- 5ª definición (ordenando y dinámica)
-- ====================================

subconjuntosSuma5 :: [Int] -> Int -> [[Int]]
subconjuntosSuma5 xs n =
  matrizSubconjuntosSuma5 (reverse (sort xs)) n ! (length xs,n)

matrizSubconjuntosSuma5 :: [Int] -> Int -> Array (Int,Int) [[Int]]
matrizSubconjuntosSuma5 xs n = q
  where m = length xs
        v = listArray (1,m) xs
        q = array ((0,0),(m,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..m],
                                                  j <- [0..n]]
        f _ 0 = [[]]
        f 0 _ = []
        f i j | v ! i > j = []
              | otherwise = q ! (i-1,j) ++
                            [v!i:ys | ys <- q ! (i-1,j-v!i)]

-- Equivalencia
-- ============

prop_subconjuntosSuma :: [Int] -> Int -> Bool
prop_subconjuntosSuma xs n =
  all (`igual` subconjuntosSuma2 ys m) [ subconjuntosSuma3 ys m
                                       , subconjuntosSuma4 ys m
                                       , subconjuntosSuma5 ys m ]
  where ys = map (\y -> 1 + abs y) xs 
        m  = abs n
        ordenado = sort . map sort
        igual xss yss = ordenado xss == ordenado yss

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

100

101

102

import Data.Array

import qualified Data.Matrix as M

import Data.Maybe

import Data.List

import Test.QuickCheck

-- 1ª definición (Calculando todos los subconjuntos)

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

subconjuntosSuma1 :: [Int] -> Int -> [[Int]]

subconjuntosSuma1 xs n =

[ys | ys <- subsequences xs, sum ys == n]

-- 2ª definición (por recursión)

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

subconjuntosSuma2 :: [Int] -> Int -> [[Int]]

subconjuntosSuma2 _ 0 = [[]]

subconjuntosSuma2 [] _ = []

subconjuntosSuma2 (x:xs) n

| n < x = subconjuntosSuma2 xs n

| otherwise = subconjuntosSuma2 xs n ++

[x:ys | ys <- subconjuntosSuma2 xs (n-x)]

-- 3ª definición (por programación dinámica)

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

subconjuntosSuma3 :: [Int] -> Int -> [[Int]]

subconjuntosSuma3 xs n =

map reverse (matrizSubconjuntosSuma3 xs n ! (length xs,n))

-- (matrizSubconjuntosSuma3 xs m) es la matriz q tal que q(i,j) es la

-- lista de los subconjuntos de (take i xs) que suman j. Por ejemplo,

-- λ> elems (matrizSubconjuntosSuma3 [1,3,5] 9)

-- [[[]],[], [],[], [], [], [], [],[], [],

-- [[]],[[1]],[],[], [], [], [], [],[], [],

-- [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[], [], [],[], [],

-- [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[[5]],[[5,1]],[],[[5,3]],[[5,3,1]]]

-- Con las cabeceras,

-- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-- [] [[[]],[], [],[], [], [], [], [],[], [],

-- [1] [[]],[[1]],[],[], [], [], [], [],[], [],

-- [1,3] [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[], [], [],[], [],

-- [1,3,5] [[]],[[1]],[],[[3]],[[3,1]],[[5]],[[5,1]],[],[[5,3]],[[5,3,1]]]

matrizSubconjuntosSuma3 :: [Int] -> Int -> Array (Int,Int) [[Int]]

matrizSubconjuntosSuma3 xs n = q

where m = length xs

v = listArray (1,m) xs

q = array ((0,0),(m,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..m],

j <- [0..n]]

f _ 0 = [[]]

f 0 _ = []

f i j | j < v ! i = q ! (i-1,j)

| otherwise = q ! (i-1,j) ++

[v!i:ys | ys <- q ! (i-1,j-v!i)]

-- 4ª definición (ordenando y por recursión)

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

subconjuntosSuma4 :: [Int] -> Int -> [[Int]]

subconjuntosSuma4 xs = aux (sort xs)

where aux _ 0 = [[]]

aux [] _ = []

aux (y:ys) n

| y > n = []

| otherwise = aux ys n ++ [y:zs | zs <- aux ys (n-y)]

-- 5ª definición (ordenando y dinámica)

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

subconjuntosSuma5 :: [Int] -> Int -> [[Int]]

subconjuntosSuma5 xs n =

matrizSubconjuntosSuma5 (reverse (sort xs)) n ! (length xs,n)

matrizSubconjuntosSuma5 :: [Int] -> Int -> Array (Int,Int) [[Int]]

matrizSubconjuntosSuma5 xs n = q

where m = length xs

v = listArray (1,m) xs

q = array ((0,0),(m,n)) [((i,j), f i j) | i <- [0..m],

j <- [0..n]]

f _ 0 = [[]]

f 0 _ = []

f i j | v ! i > j = []

| otherwise = q ! (i-1,j) ++

[v!i:ys | ys <- q ! (i-1,j-v!i)]

-- Equivalencia

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

prop_subconjuntosSuma :: [Int] -> Int -> Bool

prop_subconjuntosSuma xs n =

all (`igual` subconjuntosSuma2 ys m) [ subconjuntosSuma3 ys m

, subconjuntosSuma4 ys m

, subconjuntosSuma5 ys m ]

where ys = map (\y -> 1 + abs y) xs

m = abs n

ordenado = sort . map sort

igual xss yss = ordenado xss == ordenado yss

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_subconjuntosSuma

-- +++ OK, passed 100 tests.

El problema de las N torres

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