Menu Close

Etiqueta: sqrt

Número de descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

Definir la función

   nDescomposiciones       :: Int -> Int
   graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()

tales que

  • (nDescomposiciones x) es el número de listas de los cuadrados de cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.
     nDescomposiciones 4      ==  1
     nDescomposiciones 5      ==  0
     nDescomposiciones 7      ==  4
     nDescomposiciones 10     ==  6
     nDescomposiciones 15     ==  12
     nDescomposiciones 50000  ==  5682
  • (graficaDescomposiciones n) dibuja la gráfica del número de descomposiciones de los n primeros números naturales. Por ejemplo, (graficaDescomposiciones 500) dibuja

Soluciones

import Data.Array
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
nDescomposiciones :: Int -> Int
nDescomposiciones = length . descomposiciones
 
-- (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de
-- cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por  ejemplo. 
--    λ> descomposiciones 4
--    [[1,1,1,1]]
--    λ> descomposiciones 5
--    []
--    λ> descomposiciones 7
--    [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]
--    λ> descomposiciones 10
--    [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]
--    λ> descomposiciones 15
--    [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],
--     [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]
descomposiciones :: Int -> [[Int]]
descomposiciones x = aux x 4
  where 
    aux 0 1 = []
    aux 1 1 = [[1]]
    aux 2 1 = []
    aux 3 1 = []
    aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]
            | otherwise    = []
    aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]
                        , zs <- aux (y - x^2) (n-1)]
 
-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Int -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x
 
-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Int -> Int
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 
 
-- 2ª solución
-- =============
 
nDescomposiciones2 :: Int -> Int
nDescomposiciones2 = length . descomposiciones2
 
descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]
descomposiciones2 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = []
    f 1 1 = [[1]]
    f 2 1 = []
    f 3 1 = []
    f i 1 | esCuadrado i = [[i]]
          | otherwise    = []
    f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]
                      , zs <- a ! (i - x^2,j-1)]
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
nDescomposiciones3 :: Int -> Int
nDescomposiciones3 x = aux x 4
  where
    aux 0 1 = 0
    aux 1 1 = 1
    aux 2 1 = 0
    aux 3 1 = 0
    aux y 1 | esCuadrado y = 1
            | otherwise    = 0
    aux y n = sum [aux (y - x^2) (n-1) | x <- [1..raizEntera y]]
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
nDescomposiciones4 :: Int -> Int
nDescomposiciones4 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = 0
    f 1 1 = 1
    f 2 1 = 0
    f 3 1 = 0
    f i 1 | esCuadrado i = 1
          | otherwise    = 0
    f i j = sum [a ! (i- x^2,j-1) | x <- [1..raizEntera i]]
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_nDescomposiciones :: Positive Int -> Bool
prop_nDescomposiciones (Positive x) =
  all (== nDescomposiciones x) [f x | f <- [ nDescomposiciones2
                                           , nDescomposiciones3
                                           , nDescomposiciones4]]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_nDescomposiciones
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> nDescomposiciones 20000
--    1068
--    (3.69 secs, 3,307,250,128 bytes)
--    λ> nDescomposiciones2 20000
--    1068
--    (0.72 secs, 678,419,328 bytes)
--    λ> nDescomposiciones3 20000
--    1068
--    (3.94 secs, 3,485,725,552 bytes)
--    λ> nDescomposiciones4 20000
--    1068
--    (0.74 secs, 716,022,456 bytes)
--    
--    λ> nDescomposiciones2 50000
--    5682
--    (2.64 secs, 2,444,206,000 bytes)
--    λ> nDescomposiciones4 50000
--    5682
--    (2.77 secs, 2,582,443,448 bytes)
 
-- Definición de graficaDescomposiciones
-- =====================================
 
graficaDescomposiciones :: Int -> IO ()
graficaDescomposiciones n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG ("Numero_de_descomposiciones_en_sumas_de_cuadrados.png")
           ]
           (map nDescomposiciones3 [0..n])

Pensamiento

Ya habrá cigüeñas al sol,
mirando la tarde roja,
entre Moncayo y Urbión.

Antonio Machado

Descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

Definir la función

   descomposiciones :: Int -> [[Int]]

tal que (descomposiciones x) es la lista de las listas de los cuadrados de cuatro números enteros positivos cuya suma es x. Por ejemplo.

   λ> descomposiciones 4
   [[1,1,1,1]]
   λ> descomposiciones 5
   []
   λ> descomposiciones 7
   [[1,1,1,4],[1,1,4,1],[1,4,1,1],[4,1,1,1]]
   λ> descomposiciones 10
   [[1,1,4,4],[1,4,1,4],[1,4,4,1],[4,1,1,4],[4,1,4,1],[4,4,1,1]]
   λ> descomposiciones 15
   [[1,1,4,9],[1,1,9,4],[1,4,1,9],[1,4,9,1],[1,9,1,4],[1,9,4,1],
    [4,1,1,9],[4,1,9,1],[4,9,1,1],[9,1,1,4],[9,1,4,1],[9,4,1,1]]
   λ> length (descomposiciones 50000)
   5682

Soluciones

import Data.Array
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª definición
-- =============
 
descomposiciones :: Int -> [[Int]]
descomposiciones x = aux x 4
  where 
    aux 0 1 = []
    aux 1 1 = [[1]]
    aux 2 1 = []
    aux 3 1 = []
    aux y 1 | esCuadrado y = [[y]]
            | otherwise    = []
    aux y n = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera y]
                        , zs <- aux (y - x^2) (n-1)]
 
-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Int -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x
 
-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Int -> Int
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 
 
-- 2ª definición
-- =============
 
descomposiciones2 :: Int -> [[Int]]
descomposiciones2 x = a ! (x,4)
  where
    a = array ((0,1),(x,4)) [((i,j), f i j) | i <- [0..x], j <- [1..4]]
    f 0 1 = []
    f 1 1 = [[1]]
    f 2 1 = []
    f 3 1 = []
    f i 1 | esCuadrado i = [[i]]
          | otherwise    = []
    f i j = [x^2 : zs | x <- [1..raizEntera i]
                      , zs <- a ! (i - x^2,j-1)]
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_descomposiciones :: Positive Int -> Bool
prop_descomposiciones (Positive x) =
  descomposiciones x == descomposiciones2 x
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_descomposiciones
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> length (descomposiciones (2*10^4))
--    1068
--    (3.70 secs, 3,307,251,704 bytes)
--    λ> length (descomposiciones2 (2*10^4))
--    1068
--    (0.72 secs, 678,416,144 bytes)

Pensamiento

No extrañéis, dulces amigos,
que esté mi frente arrugada;
yo vivo en paz con los hombres
y en guerra con mis entrañas.

Antonio Machado

Número de sumandos en suma de cuadrados

El teorema de Lagrange de los cuatro cuadrados asegura que cualquier número entero positivo es la suma de, como máximo,cuatro cuadrados de números enteros. Por ejemplo,

   16 = 4²
   29 = 2² + 5²  
   14 = 1² + 2² + 3²
   15 = 1² + 1² + 2² + 3²

Definir las funciones

   ordenLagrange        :: Integer -> Int
   graficaOrdenLagrange :: Integer -> IO ()

tales que

  • (ordenLagrange n) es el menor número de cuadrados necesarios para escribir n como suma de cuadrados. Por ejemplo.
     ordenLagrange 16     ==  1
     ordenLagrange 29     ==  2
     ordenLagrange 14     ==  3
     ordenLagrange 15     ==  4
     ordenLagrange 10000  ==  1
     ordenLagrange 10001  ==  2
     ordenLagrange 10002  ==  3
     ordenLagrange 10007  ==  4
  • (graficaOrdenLagrange n) dibuja la gráfica de los órdenes de Lagrange de los n primeros números naturales. Por ejemplo, (graficaOrdenLagrange 100) dibuja

Comprobar con QuickCheck que. para todo entero positivo k, el orden de Lagrange de k es menos o igual que 4, el de 4k+3 es distinto de 2 y el de 8k+7 es distinto de 3.

Soluciones

import Data.Array (Array, (!), array)
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª definición
-- =============
 
ordenLagrange :: Integer -> Int
ordenLagrange n
  | esCuadrado n = 1
  | otherwise    = 1 + minimum [ ordenLagrange (n - x^2)
                               | x <- [1..raizEntera n]]
 
-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x
 
-- (raizEntera n) es el mayor entero cuya raíz cuadrada es menor o igual
-- que n. Por ejemplo,
--    raizEntera 15  ==  3
--    raizEntera 16  ==  4
--    raizEntera 17  ==  4
raizEntera :: Integer -> Integer
raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 
 
-- 2ª definición
-- =============
 
ordenLagrange2 :: Integer -> Int
ordenLagrange2 n = (vectorOrdenLagrange n) ! n
 
vectorOrdenLagrange :: Integer -> Array Integer Int
vectorOrdenLagrange n = v where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
  f i | esCuadrado i = 1
      | otherwise    = 1 + minimum [ v ! (i - j^2)
                                   | j <- [1..raizEntera i]]
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> ordenLagrange 50
--    2
--    (10.39 secs, 1,704,144,464 bytes)
--    λ> ordenLagrange2 50
--    2
--    (0.01 secs, 341,920 bytes)
 
-- Definición de graficaOrdenLagrange
-- ==================================
 
graficaOrdenLagrange :: Integer -> IO ()
graficaOrdenLagrange n = 
  plotList [ Key Nothing
           , PNG ("Numero_de_sumandos_en_suma_de_cuadrados.png")
           ]
           (map ordenLagrange2 [0..n-1])
 
-- Comprobación de la propiedad
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_OrdenLagrange :: Positive Integer -> Bool
prop_OrdenLagrange (Positive k) =
  ordenLagrange2 k <= 4 &&
  ordenLagrange2 (4*k+3) /= 2 &&
  ordenLagrange2 (8*k+7) /= 3
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_OrdenLagrange
--    +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

— Nuestro español bosteza.
¿Es hambre? ¿Sueño? ¿Hastío?
Doctor, ¿tendrá el estómago vacío?
— El vacío es más bien en la cabeza.

Antonio Machado

Ternas euclídeas

Uno de los problemas planteados por Euclides en los Elementos consiste en encontrar tres números tales que cada uno de sus productos, dos a dos, aumentados en la unidad sea un cuadrado perfecto.

Diremos que (x,y,z) es una terna euclídea si es una solución del problema; es decir, si x <= y <= z y xy+1, yz+1 y zx+1 son cuadrados. Por ejemplo, (4,6,20) es una terna euclídea ya que

   4x6+1 = 5^2, 6x20+1 = 11^2 y 20*4+1 = 9^2

Definir la funciones

   ternasEuclideas        :: [(Integer,Integer,Integer)]
   esMayorDeTernaEuclidea :: Integer -> Bool

tales que

  • ternasEuclideas es la lista de las ternas euclídeas. Por ejemplo,
     λ> take 7 ternasEuclideas
     [(1,3,8),(2,4,12),(1,8,15),(3,5,16),(4,6,20),(3,8,21),(5,7,24)]
  • (esMayorDeTernaEuclidea z) se verifica si existen x, y tales que (x,y,z) es una terna euclídea. Por ejemplo,
     esMayorDeTernaEuclidea 20  ==  True
     esMayorDeTernaEuclidea 22  ==  False

Comprobar con QuickCheck que z es el mayor de una terna euclídea si, y sólo si, existe un número natural x tal que 1 < x < z – 1 y x^2 es congruente con 1 módulo z.

Soluciones

import Test.QuickCheck
 
ternasEuclideas :: [(Integer,Integer,Integer)]
ternasEuclideas =
  [(x,y,z) | z <- [1..]
           , y <- [1..z]
           , esCuadrado (y * z + 1)
           , x <- [1..y]
           , esCuadrado (x * y + 1)
           , esCuadrado (z * x + 1)]
 
-- (esCuadrado x) se verifica si x es un número al cuadrado. Por
-- ejemplo,
--    esCuadrado 25  ==  True
--    esCuadrado 26  ==  False
esCuadrado :: Integer -> Bool
esCuadrado x = (raizEntera x)^2 == x
  where raizEntera :: Integer -> Integer
        raizEntera = floor . sqrt . fromIntegral 
 
esMayorDeTernaEuclidea :: Integer -> Bool
esMayorDeTernaEuclidea z =
  not (null [(x,y) | y <- [1..z]
                   , esCuadrado (y * z + 1)
                   , x <- [1..y]
                   , esCuadrado (x * y + 1)
                   , esCuadrado (z * x + 1)])
 
 
-- La propiedad es
prop_esMayorDeTernaEuclidea :: Positive Integer -> Bool
prop_esMayorDeTernaEuclidea (Positive z) =
  esMayorDeTernaEuclidea z == any (\x -> (x^2) `mod` z == 1) [2..z-2]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_esMayorDeTernaEuclidea
--    +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

Todo pasa y todo queda,
pero lo nuestro es pasar,
pasar haciendo caminos,
caminos sobre la mar.

Antonio Machado

Dígitos en las posiciones pares de cuadrados

Definir las funciones

   digitosPosParesCuadrado    :: Integer -> ([Integer],Int)
   invDigitosPosParesCuadrado :: ([Integer],Int) -> [Integer]

tales que

  • (digitosPosParesCuadrado n) es el par formados por los dígitos de n² en la posiciones pares y por el número de dígitos de n². Por ejemplo,
     digitosPosParesCuadrado 8     ==  ([6],2)
     digitosPosParesCuadrado 14    ==  ([1,6],3)
     digitosPosParesCuadrado 36    ==  ([1,9],4)
     digitosPosParesCuadrado 116   ==  ([1,4,6],5)
     digitosPosParesCuadrado 2019  ==  ([4,7,3,1],7)
  • (invDigitosPosParesCuadrado (xs,k)) es la lista de los números n tales que xs es la lista de los dígitos de n² en la posiciones pares y k es el número de dígitos de n². Por ejemplo,
     invDigitosPosParesCuadrado ([6],2)             ==  [8]
     invDigitosPosParesCuadrado ([1,6],3)           ==  [14]
     invDigitosPosParesCuadrado ([1,9],4)           ==  [36]
     invDigitosPosParesCuadrado ([1,4,6],5)         ==  [116,136]
     invDigitosPosParesCuadrado ([4,7,3,1],7)       ==  [2019,2139,2231]
     invDigitosPosParesCuadrado ([1,2],3)           ==  []
     invDigitosPosParesCuadrado ([1,2],4)           ==  [32,35,39]
     invDigitosPosParesCuadrado ([1,2,3,4,5,6],11)  ==  [115256,127334,135254]

Comprobar con QuickCheck que para todo entero positivo n se verifica que para todo entero positivo m, m pertenece a (invDigitosPosParesCuadrado (digitosPosParesCuadrado n)) si, y sólo si, (digitosPosParesCuadrado m) es igual a (digitosPosParesCuadrado n)

Soluciones

import Test.QuickCheck
 
-- Definición de digitosPosParesCuadrado
-- =====================================
 
digitosPosParesCuadrado :: Integer -> ([Integer],Int)
digitosPosParesCuadrado n =
  (digitosPosPares (n^2),length (show (n^2)))
 
-- (digitosPosPares n) es la lista de los dígitos de n en posiciones
-- pares. Por ejemplo,
--    digitosPosPares 24012019  ==  [2,0,2,1]
digitosPosPares :: Integer -> [Integer]
digitosPosPares n = elementosPosPares (digitos n)
 
-- (digitos n) es la lista de los dígitos de n. Por ejemplo,
--    digitos 325  ==  [3,2,5]
digitos :: Integer -> [Integer]
digitos n = [read [c] | c <- show n]
 
-- (elementosPosPares xs) es la lista de los elementos de xs en
-- posiciones pares. Por ejemplo,
--    elementosPosPares [3,2,5,7,6,4]  ==  [3,5,6]
elementosPosPares :: [a] -> [a]
elementosPosPares []       = []
elementosPosPares [x]      = [x]
elementosPosPares (x:_:zs) = x : elementosPosPares zs
 
-- 1ª definición de invDigitosPosParesCuadrado
-- ========================================
 
invDigitosPosParesCuadrado :: ([Integer],Int) -> [Integer]
invDigitosPosParesCuadrado (xs, a) =
  [x | x <- [ceiling (sqrt 10^(a-1))..ceiling (sqrt 10^a)]
     , digitosPosParesCuadrado x == (xs,a)]
 
-- 2ª definición de invDigitosPosParesCuadrado
-- ========================================
 
invDigitosPosParesCuadrado2 :: ([Integer],Int) -> [Integer]
invDigitosPosParesCuadrado2 x =
  [n | n <- [a..b], digitosPosParesCuadrado n == x]
  where a = floor (sqrt (fromIntegral (completaNum x 0)))
        b = ceiling (sqrt (fromIntegral (completaNum x 9)))
 
-- (completaNum (xs,k) n) es el número cuyos dígitos en las posiciones
-- pares son los de xs y los de las posiciones impares son iguales a n
-- (se supone que k es igual al doble de la longitud de xs o un
-- menos). Por ejemplo, 
--    completaNum ([1,3,8],5) 4  ==  14348
--    completaNum ([1,3,8],6) 4  ==  143484
completaNum :: ([Integer],Int) -> Integer -> Integer
completaNum x n = digitosAnumero (completa x n)
 
-- (completa (xs,k) n) es la lista cuyos elementos en las posiciones
-- pares son los de xs y los de las posiciones impares son iguales a n
-- (se supone que k es igual al doble de la longitud de xs o un
-- menos). Por ejemplo, 
--    completa ([1,3,8],5) 4  ==  [1,4,3,4,8]
--    completa ([1,3,8],6) 4  ==  [1,4,3,4,8,4]
completa :: ([Integer],Int) -> Integer -> [Integer]
completa (xs,k) n
  | even k    = ys
  | otherwise = init ys
  where ys = concat [[x,n] | x <- xs]
 
-- (digitosAnumero ds) es el número cuyos dígitos son ds. Por ejemplo,
--    digitosAnumero [2,0,1,9]  ==  2019
digitosAnumero :: [Integer] -> Integer
digitosAnumero = read . concatMap show
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> invDigitosPosParesCuadrado ([1,2,1,5,7,4,9],13)
--    [1106393,1234567,1314597]
--    (7.55 secs, 13,764,850,536 bytes)
--    λ> invDigitosPosParesCuadrado2 ([1,2,1,5,7,4,9],13)
--    [1106393,1234567,1314597]
--    (1.96 secs, 3,780,368,816 bytes)
 
-- Comprobación de la propiedad
-- ============================
 
-- La propiedad es  
prop_digitosPosParesCuadrado :: Positive Integer -> Positive Integer -> Bool
prop_digitosPosParesCuadrado (Positive n) (Positive m) =
  (digitosPosParesCuadrado m == x)
  == (m `elem` invDigitosPosParesCuadrado x)
  where x = digitosPosParesCuadrado n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_digitosPosParesCuadrado
--    +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

¡Ojos que a la luz se abrieron
un día para, después,
ciegos tornar a la tierra,
hartos de mirar sin ver.

Antonio Machado