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Etiqueta: sqrt

Número de descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

José A. Alonso---3 Comentarios

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

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Descomposiciones en sumas de cuatro cuadrados

José A. Alonso---3 Comentarios

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

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Número de sumandos en suma de cuadrados

José A. Alonso---5 Comentarios

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

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Ternas euclídeas

José A. Alonso---4 Comentarios

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

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Dígitos en las posiciones pares de cuadrados

José A. Alonso---3 Comentarios

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

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