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Etiqueta: Tipos de datos algebraicos

Puntos en regiones rectangulares

José A. Alonso, ,

Los puntos se puede representar mediante pares de números

   type Punto = (Int,Int)

y las regiones rectangulares mediante el siguiente tipo de dato

   data Region = Rectangulo Punto  Punto
               | Union      Region Region
               | Diferencia Region Region
     deriving (Eq, Show)

donde

  • (Rectangulo p1 p2) es la región formada por un rectángulo cuyo vértice superior izquierdo es p1 y su vértice inferior derecho es p2.
  • (Union r1 r2) es la región cuyos puntos pertenecen a alguna de las regiones r1 y r2.
  • (Diferencia r1 r2) es la región cuyos puntos pertenecen a la región r1 pero no pertenecen a la r2.

Definir la función

   enRegion :: Punto -> Region -> Bool

tal que (enRegion p r) se verifica si el punto p pertenece a la región r. Por ejemplo, usando las regiones definidas por

   r0021, r3051, r4162 :: Region
   r0021 = Rectangulo (0,0) (2,1)
   r3051 = Rectangulo (3,0) (5,1)
   r4162 = Rectangulo (4,1) (6,2)

se tiene

   enRegion (1,0) r0021                                   ==  True
   enRegion (3,0) r0021                                   ==  False
   enRegion (1,1) (Union r0021 r3051)                     ==  True
   enRegion (4,0) (Union r0021 r3051)                     ==  True
   enRegion (4,2) (Union r0021 r3051)                     ==  False
   enRegion (3,1) (Diferencia r3051 r4162)                ==  True
   enRegion (4,1) (Diferencia r3051 r4162)                ==  False
   enRegion (4,2) (Diferencia r3051 r4162)                ==  False
   enRegion (4,2) (Union (Diferencia r3051 r4162) r4162)  ==  True

Comprobar con QuickCheck que si el punto p está en la región r1, entonces, para cualquier región r2, p está en (Union  r1 r2) y en (Union  r2 r1), pero no está en (Diferencia r2 r1).

Soluciones

module Puntos_en_regiones_rectangulares where
 
import Test.QuickCheck (Arbitrary, Gen, Property, (==>), arbitrary, oneof,
                        sized, generate, quickCheck, quickCheckWith, stdArgs,
                        Args(maxDiscardRatio))
 
type Punto = (Int,Int)
 
data Region = Rectangulo Punto  Punto
            | Union      Region Region
            | Diferencia Region Region
  deriving (Eq, Show)
 
r0021, r3051, r4162 :: Region
r0021 = Rectangulo (0,0) (2,1)
r3051 = Rectangulo (3,0) (5,1)
r4162 = Rectangulo (4,1) (6,2)
 
enRegion :: Punto -> Region -> Bool
enRegion (x,y) (Rectangulo (x1,y1) (x2,y2)) =
  x1 <= x && x <= x2 &&
  y1 <= y && y <= y2
enRegion p (Union  r1 r2) =
  enRegion p r1 || enRegion p r2
enRegion p (Diferencia r1 r2) =
  enRegion p r1 && not (enRegion p r2)
 
-- (regionArbitraria n) es un generador de regiones arbitrarias de orden
-- n. Por ejemplo,
--    λ> generate (regionArbitraria 2)
--    Rectangulo (30,-26) (-2,-8)
--    λ> generate (regionArbitraria 2)
--    Union (Union (Rectangulo (-2,-5) (6,1)) (Rectangulo(3,7) (11,15)))
--          (Diferencia (Rectangulo (9,8) (-2,6)) (Rectangulo (-2,2) (7,8)))
regionArbitraria :: Int -> Gen Region
regionArbitraria 0 =
  Rectangulo <$> arbitrary <*> arbitrary
regionArbitraria n =
  oneof [Rectangulo <$> arbitrary <*> arbitrary,
         Union <$> subregion <*> subregion,
         Diferencia <$> subregion <*> subregion]
  where subregion = regionArbitraria (n `div` 2)
 
-- Region está contenida en Arbitrary
instance Arbitrary Region where
  arbitrary = sized regionArbitraria
 
-- La propiedad es
prop_enRegion :: Punto -> Region -> Region -> Property
prop_enRegion p r1 r2 =
  enRegion p r1 ==>
  (enRegion p (Union  r1 r2) &&
   enRegion p (Union  r2 r1) &&
   not (enRegion p (Diferencia r2 r1)))
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_enRegion
--    *** Gave up! Passed only 78 tests; 1000 discarded tests.
--
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxDiscardRatio=20}) prop_enRegion
--    +++ OK, passed 100 tests.

El código se encuentra en GitHub.

La elaboración de las soluciones se describe en el siguiente vídeo

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Enumeración de árboles binarios

José A. Alonso, ,

Los árboles binarios se pueden representar mediante el tipo Arbol definido por

   data Arbol a = H a
                | N (Arbol a) a (Arbol a)
      deriving Show

Por ejemplo, el árbol

        "B"
        / \
       /   \
      /     \
    "B"     "A"
    / \     / \
  "A" "B" "C" "C"

se puede definir por

   ej1 :: Arbol String
   ej1 = N (N (H "A") "B" (H "B")) "B" (N (H "C") "A" (H "C"))

Definir la función

   enumeraArbol :: Arbol t -> Arbol Int

tal que (enumeraArbol a) es el árbol obtenido numerando las hojas y los nodos de a desde la hoja izquierda hasta la raíz. Por ejemplo,

   λ> enumeraArbol ej1
   N (N (H 0) 1 (H 2)) 3 (N (H 4) 5 (H 6))

Gráficamente,

         3
        / \
       /   \
      /     \
     1       5
    / \     / \
   0   2   4   6

Soluciones

import Test.QuickCheck (Arbitrary, Gen, arbitrary, quickCheck, sized)
import Control.Monad.State (State, evalState, get, put)
 
data Arbol a = H a
             | N (Arbol a) a (Arbol a)
  deriving (Show, Eq)
 
ej1 :: Arbol String
ej1 = N (N (H "A") "B" (H "B")) "B" (N (H "C") "A" (H "C"))
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
enumeraArbol1 :: Arbol t -> Arbol Int
enumeraArbol1 a = fst (aux a 0)
  where aux :: Arbol t -> Int -> (Arbol Int, Int)
        aux (H _) n     = (H n, n+1)
        aux (N i _ d) n = (N i' n1 d', n2)
          where (i', n1) = aux i n
                (d', n2) = aux d (n1+1)
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
enumeraArbol2 :: Arbol t -> Arbol Int
enumeraArbol2 a = evalState (aux a) 0
  where aux :: Arbol t -> State Int (Arbol Int)
        aux (H _)     = H <$> contador
        aux (N i _ d) = do
          i' <- aux i
          n1 <- contador
          d' <- aux d
          return (N i' n1 d')
 
contador :: State Int Int
contador = do
  n <- get
  put (n+1)
  return n
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
enumeraArbol3 :: Arbol t -> Arbol Int
enumeraArbol3 a = evalState (aux a) 0
  where aux :: Arbol t -> State Int (Arbol Int)
        aux (H _)     = H <$> contador
        aux (N i _ d) = N <$> aux i <*> contador <*> aux d
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- (arbolArbitrario n) genera un árbol aleatorio de orden n. Por
-- ejemplo,
--    λ> generate (arbolArbitrario 3 :: Gen (Arbol Int))
--    N (N (H 19) 0 (H (-27))) 21 (N (H 2) 17 (H 26))
arbolArbitrario :: Arbitrary a => Int -> Gen (Arbol a)
arbolArbitrario n
  | n <= 0    = H <$> arbitrary
  | otherwise = N <$> subarbol <*> arbitrary <*> subarbol
  where subarbol = arbolArbitrario (n `div` 2)
 
-- Arbol es una subclase de Arbitrary.
instance Arbitrary a => Arbitrary (Arbol a) where
  arbitrary = sized arbolArbitrario
 
-- La propiedad es
prop_enumeraArbol :: Arbol Int -> Bool
prop_enumeraArbol a =
  all (== enumeraArbol1 a)
      [enumeraArbol2 a,
       enumeraArbol3 a]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_enumeraArbol
--    +++ OK, passed 100 tests.

El código se encuentra en GitHub.

La elaboración de las soluciones se describe en el siguiente vídeo

Nuevas soluciones

  • En los comentarios se pueden escribir nuevas soluciones.
  • El código se debe escribir entre una línea con <pre lang="haskell"> y otra con </pre>
[/schedule]
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Ramas de un árbol

José A. Alonso, ,

Los árboles se pueden representar mediante el siguiente tipo de datos

   data Arbol a = N a [Arbol a]
     deriving Show

Por ejemplo, los árboles

     1               3
    / \             /|\
   2   3           / | \
       |          5  4  7
       4          |     /\
                  6    2  1

se representan por

   ej1, ej2 :: Arbol Int
   ej1 = N 1 [N 2 [],N 3 [N 4 []]]
   ej2 = N 3 [N 5 [N 6 []], N 4 [], N 7 [N 2 [], N 1 []]

Definir la función

   ramas :: Arbol b -> [[b]]

tal que (ramas a) es la lista de las ramas del árbol a. Por ejemplo,

   ramas ej1  ==  [[1,2],[1,3,4]]
   ramas ej2  ==  [[3,5,6],[3,4],[3,7,2],[3,7,1]]

Soluciones

import Test.QuickCheck
 
data Arbol a = N a [Arbol a]
  deriving Show
 
ej1, ej2 :: Arbol Int
ej1 = N 1 [N 2 [],N 3 [N 4 []]]
ej2 = N 3 [N 5 [N 6 []], N 4 [], N 7 [N 2 [], N 1 []]]
 
-- 1ª solución
ramas1 :: Arbol b -> [[b]]
ramas1 (N x []) = [[x]]
ramas1 (N x as) = [x : xs | a <- as, xs <- ramas1 a]
 
-- 2ª solución
ramas2 :: Arbol b -> [[b]]
ramas2 (N x []) = [[x]]
ramas2 (N x as) = concat (map (map (x:)) (map ramas2 as))
 
-- 3ª solución
ramas3 :: Arbol b -> [[b]]
ramas3 (N x []) = [[x]]
ramas3 (N x as) = concat (map (map (x:) . ramas3) as)
 
-- 4ª solución
ramas4 :: Arbol b -> [[b]]
ramas4 (N x []) = [[x]]
ramas4 (N x as) = concatMap (map (x:) . ramas4) as
 
-- 5ª solución
ramas5 :: Arbol a -> [[a]]
ramas5 (N x []) = [[x]]
ramas5 (N x xs) = map ramas5 xs >>= map (x:)
 
-- Comprobación de la equivalencia de las definiciones
-- ===================================================
 
-- (arbolArbitrario n) es un árbol aleatorio de orden n. Por ejemplo,
--    λ> sample (arbolArbitrario 4 :: Gen (Arbol Int))
--    N 0 [N 0 []]
--    N 1 [N 1 [N (-2) [N (-1) [N (-1) [N (-1) [N 1 []]]]]],N (-1) [N 2 []]]
--    N 1 [N (-2) [],N 0 [N (-4) [N (-2) []]]]
--    N (-4) [N 1 [],N 0 [N 6 [N (-4) []],N 2 [N 3 []]]]
--    N (-7) [N (-7) [N (-3) []]]
--    N (-2) [N (-8) []]
--    N (-3) [N 3 [N 2 []]]
--    N (-12) [N 5 [],N 0 []]
--    N 14 [N 13 [N (-12) []],N 11 [],N 8 [N (-13) []]]
--    N (-12) [N (-6) [N 16 [N (-14) [N (-1) []]]]]
--    N (-5) []
arbolArbitrario :: Arbitrary a => Int -> Gen (Arbol a)
arbolArbitrario n = do
  x  <- arbitrary
  ms <- sublistOf [0 .. n `div` 2]
  as <- mapM arbolArbitrario ms
  return (N x as)
 
-- Arbol es una subclase de Arbitraria
instance Arbitrary a => Arbitrary (Arbol a) where
  arbitrary = sized arbolArbitrario
 
-- La propiedad es
prop_arbol :: Arbol Int -> Bool
prop_arbol a =
  all (== ramas1 a)
      [ramas2 a,
       ramas3 a,
       ramas4 a,
       ramas5 a]
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_arbol
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> ej600 <- generate (arbolArbitrario 600 :: Gen (Arbol Int))
--    λ> length (ramas1 ej600)
--    1262732
--    (1.92 secs, 1,700,238,488 bytes)
--    λ> length (ramas2 ej600)
--    1262732
--    (1.94 secs, 2,549,877,280 bytes)
--    λ> length (ramas3 ej600)
--    1262732
--    (1.99 secs, 2,446,508,472 bytes)
--    λ> length (ramas4 ej600)
--    1262732
--    (1.67 secs, 2,090,469,104 bytes)
--    λ> length (ramas5 ej600)
--    1262732
--    (1.66 secs, 2,112,198,232 bytes)

El código se encuentra en GitHub.

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Subexpresiones aritméticas

José A. Alonso, ,

Las expresiones aritméticas pueden representarse usando el siguiente tipo de datos

   data Expr = N Int | S Expr Expr | P Expr Expr  
     deriving (Eq, Ord, Show)

Por ejemplo, la expresión 2*(3+7) se representa por

   P (N 2) (S (N 3) (N 7))

Definir la función

   subexpresiones :: Expr -> Set Expr

tal que (subexpresiones e) es el conjunto de las subexpresiones de e. Por ejemplo,

   λ> subexpresiones (S (N 2) (N 3))
   fromList [N 2,N 3,S (N 2) (N 3)]
   λ> subexpresiones (P (S (N 2) (N 2)) (N 7))
   fromList [N 2,N 7,S (N 2) (N 2),P (S (N 2) (N 2)) (N 7)]

Soluciones

import Data.Set
 
data Expr = N Int | S Expr Expr | P Expr Expr  
  deriving (Eq, Ord, Show)
 
subexpresiones :: Expr -> Set Expr
subexpresiones (N x)   = singleton (N x)
subexpresiones (S i d) =
  S i d `insert` (subexpresiones i `union` subexpresiones d)
subexpresiones (P i d) =
  P i d `insert` (subexpresiones i `union` subexpresiones d)
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Problema de las puertas

José A. Alonso, ,

Un hotel dispone de n habitaciones y n camareros. Los camareros tienen la costumbre de cambiar de estado las puertas (es decir, abrir las cerradas y cerrar las abiertas). El proceso es el siguiente:

  • Inicialmente todas las puertas están cerradas.
  • El primer camarero cambia de estado las puertas de todas las habitaciones.
  • El segundo cambia de estado de las puertas de las habitaciones pares.
  • El tercero cambia de estado todas las puertas que son múltiplos de 3.
  • El cuarto cambia de estado todas las puertas que son múltiplos de 4
  • Así hasta que ha pasado el último camarero.

Por ejemplo, para n = 5

   Pase    | Puerta 1 | Puerta 2 | Puerta 3 | Puerta 4 | Puerta 5
   Inicial | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada
   Pase 1  | Abierta  | Abierta  | Abierta  | Abierta  | Abierta
   Pase 2  | Abierta  | Cerrada  | Abierta  | Cerrada  | Abierta
   Pase 3  | Abierta  | Cerrada  | Cerrada  | Cerrada  | Abierta
   Pase 4  | Abierta  | Cerrada  | Cerrada  | Abierta  | Abierta
   Pase 5  | Abierta  | Cerrada  | Cerrada  | Abierta  | Cerrada

Los estados de las puertas se representan por el siguiente tipo de datos

   data Estado = Abierta | Cerrada deriving Show

Definir la función

   final :: Int -> [Estado]

tal que (final n) es la lista de los estados de las n puertas después de que hayan pasado los n camareros. Por ejemplo,

   ghci> final 5
   [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Cerrada]
   ghci> final 7
   [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Cerrada,Cerrada,Cerrada]

Soluciones

 
-- 1ª solución
-- ===========
 
data Estado = Abierta | Cerrada 
  deriving (Eq, Show)
 
cambia Abierta = Cerrada
cambia Cerrada = Abierta
 
-- (inicial n) es el estado inicial para el problema de las n
-- habitaciones. Por ejemplo,
--    inicial 5  ==  [Cerrada,Cerrada,Cerrada,Cerrada,Cerrada]
inicial :: Int -> [Estado]
inicial n = replicate n Cerrada
 
-- (pase k es) es la lista de los estados de las puertas después de pasar el
-- camarero k que las encuentra en los estados es. Por ejemplo,
--    ghci> pase 1 (inicial 5)
--    [Abierta,Abierta,Abierta,Abierta,Abierta]
--    ghci> pase 2 it
--    [Abierta,Cerrada,Abierta,Cerrada,Abierta]
--    ghci> pase 3 it
--    [Abierta,Cerrada,Cerrada,Cerrada,Abierta]
--    ghci> pase 4 it
--    [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Abierta]
--    ghci> pase 5 it
--    [Abierta,Cerrada,Cerrada,Abierta,Cerrada]
pase :: [Estado] -> Int -> [Estado] 
pase es k = zipWith cambiaK  es [1..] 
  where cambiaK e n | n `mod` k == 0 = cambia e
                    | otherwise      = e
 
final :: Int -> [Estado]
final n = aux [1..n] (inicial n) 
  where aux []     es = es  
        aux (k:ks) es = aux ks (pase es k)
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
final2 :: Int -> [Estado]
final2 n = foldl pase (inicial n) [1..n] 
 
-- 3ª solución
-- =============
 
final3 :: Int -> [Estado]
final3 n = map f [1..n]
  where f x | even (length (divisores x)) = Cerrada
            | otherwise                   = Abierta
 
divisores :: Int -> [Int]
divisores n = [x | x <- [1..n], n `mod` x == 0]
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
-- En primer lugar, vamos a determinar la lista de las posiciones
-- (comenzando a contar en 1) de las puertas que quedan abierta en el
-- problema de las n puertas. 
posicionesAbiertas :: Int -> [Int]
posicionesAbiertas n = 
  [x | (x,y) <- zip [1..] (final n), y == Abierta]
 
-- Al calcularlas,
--    ghci> posicionesAbiertas 200
--    [1,4,9,16,25,36,49,64,81,100,121,144,169,196]
-- Se observa las que quedan abiertas son las que sus posiciones son
-- cuadrados perfectos. Usando esta observación se construye la
-- siguiente definición
 
final4 :: Int -> [Estado]
final4 n = aux [1..n] [k*k | k <- [1..]] 
  where aux (x:xs) (y:ys) | x == y  =  Abierta : aux xs ys
        aux (x:xs) ys               =  Cerrada : aux xs ys
        aux []     _                =  []
 
-- ---------------------------------------------------------------------
-- § Comparación de eficiencia                                        --
-- ---------------------------------------------------------------------
 
--    ghci> last (final 1000)
--    Cerrada
--    (0.23 secs, 218727400 bytes)
--    ghci> last (final 2000)
--    Cerrada
--    (1.78 secs, 868883080 bytes)
--    ghci> last (final2 1000)
--    Cerrada
--    (0.08 secs, 218729392 bytes)
--    ghci> last (final2 2000)
--    Cerrada
--    (1.77 secs, 868948600 bytes)
--    ghci> last (final3 1000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 1029256 bytes)
--    ghci> last (final3 2000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 2121984 bytes)
--    ghci> last (final4 1000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 1029328 bytes)
--    ghci> last (final4 2000)
--    Cerrada
--    (0.01 secs, 1578504 bytes)
--    ghci> last (final3 10000)
--    Abierta
--    (0.01 secs, 4670104 bytes)
--    ghci> last (final3 100000)
--    Cerrada
--    (0.09 secs, 38717032 bytes)
--    ghci> last (final3 1000000)
--    Abierta
--    (1.27 secs, 377100832 bytes)
--    ghci> last (final4 1000000)
--    Abierta
--    (1.41 secs, 273292448 bytes)

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>
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