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Etiqueta: zipWith

Operaciones con series de potencias

Una serie de potencias es una serie de la forma

   a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + ...

Las series de potencias se pueden representar mediante listas infinitas. Por ejemplo, la serie de la función exponencial es

   e^x = 1 + x + x²/2! + x³/3! + ...

y se puede representar por [1, 1, 1/2, 1/6, 1/24, 1/120, …]

Las operaciones con series se pueden ver como una generalización de las de los polinomios.

En lo que sigue, usaremos el tipo (Serie a) para representar las series de potencias con coeficientes en a y su definición es

   type Serie a = [a]

Definir las siguientes funciones

   opuesta      :: Num a => Serie a -> Serie a
   suma         :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   resta        :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   producto     :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   cociente     :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a
   derivada     :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a
   integral     :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a
   expx         :: Serie Rational

tales que

  • (opuesta xs) es la opuesta de la serie xs. Por ejemplo,
     λ> take 7 (opuesta [-6,-4..])
     [6,4,2,0,-2,-4,-6]
  • (suma xs ys) es la suma de las series xs e ys. Por ejemplo,
     λ> take 7 (suma [1,3..] [2,4..])
     [3,7,11,15,19,23,27]
  • (resta xs ys) es la resta de las series xs es ys. Por ejemplo,
     λ> take 7 (resta [3,5..] [2,4..])
     [1,1,1,1,1,1,1]
     λ> take 7 (resta ([3,7,11,15,19,23,27] ++ repeat 0) [1,3..])
     [2,4,6,8,10,12,14]
  • (producto xs ys) es el producto de las series xs e ys. Por ejemplo,
     λ> take 7 (producto [3,5..] [2,4..])
     [6,22,52,100,170,266,392]
  • (cociente xs ys) es el cociente de las series xs e ys. Por ejemplo,
     λ> take 7 (cociente ([6,22,52,100,170,266,392] ++ repeat 0) [3,5..])
     [2.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]
  • (derivada xs) es la derivada de la serie xs. Por ejemplo,
     λ> take 7 (derivada [2,4..])
     [4,12,24,40,60,84,112]
  • (integral xs) es la integral de la serie xs. Por ejemplo,
     λ> take 7 (integral ([4,12,24,40,60,84,112] ++ repeat 0))
     [0.0,4.0,6.0,8.0,10.0,12.0,14.0]
  • expx es la serie de la función exponencial. Por ejemplo,
     λ> take 8 expx
     [1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]
     λ> take 8 (derivada expx)
     [1 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]
     λ> take 8 (integral expx)
     [0 % 1,1 % 1,1 % 2,1 % 6,1 % 24,1 % 120,1 % 720,1 % 5040]

Soluciones

type Serie a = [a] 
 
opuesta :: Num a => Serie a -> Serie a
opuesta = map negate
 
suma :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
suma = zipWith (+)
 
resta :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
resta xs ys = suma xs (opuesta ys)
 
producto :: Num a => Serie a -> Serie a -> Serie a
producto (x:xs) zs@(y:ys) = 
    x*y : suma (producto xs zs) (map (x*) ys)
 
cociente :: Fractional a => Serie a -> Serie a -> Serie a
cociente (x:xs) (y:ys) = zs 
    where zs = x/y : map (/y) (resta xs (producto zs ys))  
 
derivada :: (Num a, Enum a) => Serie a -> Serie a
derivada (_:xs) = zipWith (*) xs [1..]
 
integral :: (Fractional a, Enum a) => Serie a -> Serie a
integral xs = 0 : zipWith (/) xs [1..]
 
expx :: Serie Rational
expx = map (1/) (map fromIntegral factoriales)
 
-- factoriales es la lista de los factoriales. Por ejemplo, 
--    take 7 factoriales  ==  [1,1,2,6,24,120,720]
factoriales :: [Integer]
factoriales = 1 : scanl1 (*) [1..]

Números de Perrin

Los números de Perrin se definen por la elación de recurrencia

   P(n) = P(n - 2) + P(n - 3) si n > 2,

con los valores iniciales

   P(0) = 3, P(1) = 0 y P(2) = 2.

Definir la sucesión

   sucPerrin :: [Integer]

cuyos elementos son los números de Perrin. Por ejemplo,

   λ> take 15 sucPerrin
   [3,0,2,3,2,5,5,7,10,12,17,22,29,39,51]
   λ> length (show (sucPerrin !! (2*10^5)))
   24425

Comprobar con QuickCheck si se verifica la siguiente propiedad: para todo entero n > 1, el n-ésimo término de la sucesión de Perrin es divisible por n si y sólo si n es primo.

Soluciones

import Data.List (genericIndex, unfoldr)
import Data.Numbers.Primes (isPrime)
import Test.QuickCheck
 
-- 1ª solución
sucPerrin1 :: [Integer]
sucPerrin1 = 3 : 0 : 2 : zipWith (+) sucPerrin1 (tail sucPerrin1)
 
-- 2ª solución
sucPerrin2 :: [Integer]
sucPerrin2 = [x | (x,_,_) <- iterate op (3,0,2)]
  where op (a,b,c) = (b,c,a+b)
 
-- 3ª solución
sucPerrin3 :: [Integer]
sucPerrin3 =
  unfoldr (\(a, (b,c)) -> Just (a, (b,(c,a+b)))) (3,(0,2))
 
-- 4ª solución
sucPerrin4 :: [Integer]
sucPerrin4 = [vectorPerrin n ! n | n <- [0..]]
 
vectorPerrin :: Integer -> Array Integer Integer
vectorPerrin n = v where
  v = array (0,n) [(i,f i) | i <- [0..n]]
  f 0 = 3
  f 1 = 0
  f 2 = 2
  f i = v ! (i-2) + v ! (i-3)
 
-- Comparación de eficiencia
--    λ> length (show (sucPerrin1 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.62 secs, 2,366,238,984 bytes)
--    λ> length (show (sucPerrin2 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.40 secs, 2,428,701,384 bytes)
--    λ> length (show (sucPerrin3 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.14 secs, 2,409,504,864 bytes)
--    λ> length (show (sucPerrin4 !! (3*10^5)))
--    36638
--    (1.78 secs, 2,585,400,776 bytes)
 
 
-- Usaremos la 3ª
sucPerrin :: [Integer]
sucPerrin = sucPerrin3
 
-- La propiedad es  
conjeturaPerrin :: Integer -> Property
conjeturaPerrin n =
  n > 1 ==>
  (perrin n `mod` n == 0) == isPrime n
 
-- (perrin n) es el n-ésimo término de la sucesión de Perrin. Por
-- ejemplo,
--    perrin 4  ==  2
--    perrin 5  ==  5
--    perrin 6  ==  5
perrin :: Integer -> Integer
perrin n = sucPerrin `genericIndex` n
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck conjeturaPerrin
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Nota: Aunque QuickCheck no haya encontrado contraejemplos, la
-- propiedad no es cierta. Sólo lo es una de las implicaciones: si n es
-- primo, entonces el  n-ésimo término de la sucesión de Perrin es
-- divisible por n. La otra es falsa y los primeros contraejemplos son
--    271441, 904631, 16532714, 24658561, 27422714, 27664033, 46672291

Problema de las puertas

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

[schedule on=’2020-06-05′ at=”06:00″]
 
-- 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>

Huecos de Aquiles

Un número de Aquiles es un número natural n que es potente (es decir, si p es un divisor primo de n, entonces p² también lo es) y no es una potencia perfecta (es decir, no existen números naturales m y k tales que n es igual a m^k). Por ejemplo,

  • 108 es un número de Aquiles proque es un número potente (ya que su factorización es 2^2 · 3^3, sus divisores primos son 2 and 3 y sus cuadrados (2^2 = 4 y 3^2 = 9) son divisores de 108. Además, 108 no es una potencia perfecta.
  • 360 no es un número de Aquiles ya que 5 es un divisor primo de 360, pero 5^2 = 15 no lo es.
  • 784 no es un número de Aquiles porque, aunque es potente, es una potencia perfecta ya que 784 = 28^2.

Los primeros números de Aquiles son

   72, 108, 200, 288, 392, 432, 500, 648, 675, 800, 864, 968, 972, ...

Definir las funciones

   esAquiles              :: Integer -> Bool
   huecosDeAquiles        :: [Integer]
   graficaHuecosDeAquiles :: Int -> IO ()

tales que

  • (esAquiles x) se verifica si x es un número de Aquiles. Por ejemplo,
     esAquiles 108         ==  True
     esAquiles 360         ==  False
     esAquiles 784         ==  False
     esAquiles 5425069447  ==  True
     esAquiles 5425069448  ==  True
  • huecosDeAquiles es la sucesión de la diferencias entre los números de Aquiles consecutivos. Por ejemplo,
     λ> take 15 huecosDeAquiles
     [36,92,88,104,40,68,148,27,125,64,104,4,153,27,171]
  • (graficaHuecosDeAquiles n) dibuja la gráfica de los n primeros huecos de Aquiles. Por ejemplo, (graficaHuecosDeAquiles 160) dibuja

Soluciones

import Data.List (group)
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- Definición de esAquiles
-- =======================
 
esAquiles :: Integer -> Bool
esAquiles x = esPotente x && noEsPotenciaPerfecta x
 
-- (esPotente x) se verifica si x es potente. Por ejemplo,
--    esPotente 108  ==  True
--    esPotente 360  ==  False
--    esPotente 784  ==  True
esPotente :: Integer -> Bool
esPotente x = all (>1) (exponentes x)
 
-- (exponentes x) es la lista de los exponentes en la factorización de
-- x. Por ejemplo,
--    exponentes 108  ==  [2,3]
--    exponentes 360  ==  [3,2,1]
--    exponentes 784  ==  [4,2]
exponentes :: Integer -> [Int]
exponentes x = map length (group (primeFactors x))
 
-- (noEsPotenciaPerfecta x) se verifica si x no es una potencia
-- perfecta. Por ejemplo,
--    noEsPotenciaPerfecta 108  ==  True
--    noEsPotenciaPerfecta 360  ==  True
--    noEsPotenciaPerfecta 784  ==  False
noEsPotenciaPerfecta :: Integer -> Bool
noEsPotenciaPerfecta x = foldl1 gcd (exponentes x) == 1 
 
-- Definición de huecosDeAquiles
-- =============================
 
huecosDeAquiles :: [Integer]
huecosDeAquiles = zipWith (-) (tail aquiles) aquiles
 
-- aquiles es la sucesión de los números de Aquiles. Por ejemplo, 
--    λ> take 15 aquiles
--    [72,108,200,288,392,432,500,648,675,800,864,968,972,1125,1152]
aquiles :: [Integer]
aquiles = filter esAquiles [2..]
 
-- Definición de graficaHuecosDeAquiles
-- ====================================
 
graficaHuecosDeAquiles :: Int -> IO ()
graficaHuecosDeAquiles n =
  plotList [ Key Nothing
           , PNG "Huecos_de_Aquiles.png"
           ]
           (take n huecosDeAquiles)

Otras soluciones

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Término ausente en una progresión aritmética

Una progresión aritmética es una sucesión de números tales que la diferencia de dos términos sucesivos cualesquiera de la sucesión es constante.

Definir la función

   ausente :: Integral a => [a] -> a

tal que (ausente xs) es el único término ausente de la progresión aritmética xs. Por ejemplo,

   ausente [3,7,9,11]               ==  5
   ausente [3,5,9,11]               ==  7
   ausente [3,5,7,11]               ==  9
   ausente ([1..9]++[11..])         ==  10
   ausente ([1..10^6] ++ [2+10^6])  ==  1000001

Nota. Se supone que la lista tiene al menos 3 elementos, que puede ser infinita y que sólo hay un término de la progresión aritmética que no está en la lista.

Soluciones

import Data.List (group, genericLength)
 
-- 1ª solución
ausente :: Integral a => [a] -> a
ausente (x1:xs@(x2:x3:_))
  | d1 == d2     = ausente xs
  | d1 == 2 * d2 = x1 + d2
  | d2 == 2 * d1 = x2 + d1
  where d1 = x2 - x1
        d2 = x3 - x2          
 
-- 2ª solución
ausente2 :: Integral a => [a] -> a
ausente2 s@(x1:x2:x3:xs) 
  | x1 + x3 /= 2 * x2 = x1 + (x3 - x2)
  | otherwise         = head [a | (a,b) <- zip [x1,x2..] s
                                , a /= b]
 
-- 3ª solución
ausente3 :: Integral a => [a] -> a
ausente3  xs@(x1:x2:_) 
  | null us   = x1 + v
  | otherwise = x2 + u * genericLength (u:us) 
  where ((u:us):(v:_):_) = group (zipWith (-) (tail xs) xs)
 
-- Comparación de eficiencia
--    ghci> let n = 10^6 in ausente1 ([1..n] ++ [n+2])
--    1000001
--    (3.53 secs, 634729880 bytes)
--    
--    ghci> let n = 10^6 in ausente2 ([1..n] ++ [n+2])
--    1000001
--    (0.86 secs, 346910784 bytes)
--    
--    ghci> let n = 10^6 in ausente3 ([1..n] ++ [n+2])
--    1000001
--    (1.22 secs, 501521888 bytes)
--    
--    ghci> let n = 10^7 in ausente2 ([1..n] ++ [n+2])
--    10000001
--    (8.68 secs, 3444142568 bytes)
--    
--    ghci> let n = 10^7 in ausente3 ([1..n] ++ [n+2])
--    10000001
--    (12.59 secs, 4975932088 bytes)

Otras soluciones

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