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Etiqueta: zipWith

Cálculo de pi mediante los métodos de Gregory-Leibniz y de Beeler

La fórmula de Gregory-Leibniz para calcular pi es
Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_1
y la de Beeler es
Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_2

Definir las funciones

   aproximaPiGL     :: Int -> Double
   aproximaPiBeeler :: Int -> Double
   graficas         :: [Int] -> IO ()

tales que

  • (aproximaPiGL n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Gregory-Leibniz. Por ejemplo,
     aproximaPiGL 1       ==  4.0
     aproximaPiGL 2       ==  2.666666666666667
     aproximaPiGL 3       ==  3.466666666666667
     aproximaPiGL 10      ==  3.0418396189294032
     aproximaPiGL 100     ==  3.1315929035585537
     aproximaPiGL 1000    ==  3.140592653839794
     aproximaPiGL 10000   ==  3.1414926535900345
     aproximaPiGL 100000  ==  3.1415826535897198
  • (aproximaPiBeeler n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Beeler. Por ejemplo,
     aproximaPiBeeler 1   ==  2.0
     aproximaPiBeeler 2   ==  2.6666666666666665
     aproximaPiBeeler 3   ==  2.933333333333333
     aproximaPiBeeler 10  ==  3.140578169680337
     aproximaPiBeeler 60  ==  3.141592653589793
     pi                   ==  3.141592653589793
  • (graficas xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi, donde k toma los valores de la lista xs, con las fórmulas de Gregory-Leibniz y de Beeler. Por ejemplo, (graficas [1..25]) dibuja
    Calculo_de_pi_mediante_los_metodos_de_Gregory-Leibniz_y_de_Beeler_3
    donde la línea morada corresponde a la aproximación de Gregory-Leibniz y la verde a la de Beeler.

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- Definiciones de aproximaPiGL
-- ============================
 
-- 1ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL :: Int -> Double
aproximaPiGL n = 4 * (sum . take n . sumaA . zipWith (/) [1,1..]) [1,3..]
  where sumaA (x:y:xs) = x:(-y):sumaA xs
 
-- 2ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL2 :: Int -> Double
aproximaPiGL2 n =
  4 * (sum (take n (zipWith (/) (cycle [1,-1]) [1,3..])))
 
-- 3ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL3 :: Int -> Double
aproximaPiGL3 n =
  4 * (sum . take n . zipWith (/) (cycle [1,-1])) [1,3..]
 
-- 4ª definición de aproximaPiGL
aproximaPiGL4 :: Int -> Double
aproximaPiGL4 n = serieGL !! (n-1)
 
serieGL :: [Double]
serieGL = scanl1 (+) (zipWith (/) numeradores denominadores)
  where numeradores   = cycle [4,-4]
        denominadores = [1,3..]
 
-- Definición de aproximaPiBeeler
aproximaPiBeeler :: Int -> Double
aproximaPiBeeler n = 2 * aux (fromIntegral n) 1
  where
    aux :: Double -> Double -> Double 
    aux n k | n == k    = 1
            | otherwise = 1 + (k/(2*k+1)) * aux n (1+k)
 
-- Definición de graficas
graficas :: [Int] -> IO ()
graficas xs = 
    plotLists [Key Nothing]
             [[(k,aproximaPiGL k)     | k <- xs],
              [(k,aproximaPiBeeler k) | k <- xs]]

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>

Cálculo de pi mediante el método de Newton

El método de Newton para el cálculo de pi se basa en la relación
Calculo_de_pi_mediante_el_metodo_de_Newton_1
y en el desarrollo del arco seno
Calculo_de_pi_mediante_el_metodo_de_Newton_2
de donde se obtiene la fórmula
Calculo_de_pi_mediante_el_metodo_de_Newton_3

La primeras aproximaciones son

   a(0) = 6*(1/2)                               = 3.0
   a(1) = 6*(1/2+1/(2*3*2^3))                   = 3.125
   a(2) = 6*(1/2+1/(2*3*2^3)+(1*3)/(2*4*5*2^5)) = 3.1390625

Definir las funciones

   aproximacionPi :: Int -> Double
   grafica        :: [Int] -> IO ()

tales que

  • (aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi con la fórmula de Newton. Por ejemplo,
     aproximacionPi 0   ==  3.0
     aproximacionPi 1   ==  3.125
     aproximacionPi 2   ==  3.1390625
     aproximacionPi 10  ==  3.1415926468755613
     aproximacionPi 21  ==  3.141592653589793
     pi                 ==  3.141592653589793
  • (grafica xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi donde k toma los valores de la lista xs. Por ejemplo, (grafica [1..30]) dibuja
    Calculo_de_pi_mediante_el_metodo_de_Newton_4

Soluciones

import Graphics.Gnuplot.Simple
 
-- 1ª definición
-- =============
 
aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n = 6 * arcsinX
  where arcsinX = 0.5 + sum (take n factoresN)
 
factoresN :: [Double]
factoresN = zipWith (*) (potenciasK 3) fraccionesPI
 
potenciasK :: Double -> [Double]
potenciasK k = (0.5**k)/k : potenciasK (k+2)
 
fraccionesPI :: [Double]
fraccionesPI =
  scanl (*) (1/2) (tail (zipWith (/) [1,3..] [2,4..]))
 
-- 2ª definición
-- =============
 
aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 n = 6 * (serie !! n)
 
serie :: [Double]
serie = scanl1 (+) (zipWith (/)
                            (map fromIntegral numeradores)
                            (map fromIntegral denominadores))
  where numeradores    = 1 : scanl1 (*) [1,3..]
        denominadores  = zipWith (*) denominadores1 denominadores2
        denominadores1 = 2 : scanl1 (*) [2,4..]
        denominadores2 = 1 : [n * 2^n | n <- [3,5..]]
 
grafica :: [Int] -> IO ()
grafica xs = 
    plotList [Key Nothing]
             [(k,aproximacionPi k) | k <- xs]

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>

Pensamiento

“Mi trabajo siempre trató de unir lo verdadero con lo bello; pero cuando tuve que elegir uno u otro, generalmente elegí lo bello.”

Hermann Weyl.

Cálculo de pi mediante la serie de Nilakantha

Una serie infinita para el cálculo de pi, publicada por Nilakantha en el siglo XV, es

Definir las funciones

   aproximacionPi :: Int -> Double
   tabla          :: FilePath -> [Int] -> IO ()

tales que

  • (aproximacionPi n) es la n-ésima aproximación de pi obtenido sumando los n primeros términos de la serie de Nilakantha. Por ejemplo,
     aproximacionPi 0        ==  3.0
     aproximacionPi 1        ==  3.1666666666666665
     aproximacionPi 2        ==  3.1333333333333333
     aproximacionPi 3        ==  3.145238095238095
     aproximacionPi 4        ==  3.1396825396825396
     aproximacionPi 5        ==  3.1427128427128426
     aproximacionPi 10       ==  3.1414067184965018
     aproximacionPi 100      ==  3.1415924109719824
     aproximacionPi 1000     ==  3.141592653340544
     aproximacionPi 10000    ==  3.141592653589538
     aproximacionPi 100000   ==  3.1415926535897865
     aproximacionPi 1000000  ==  3.141592653589787
     pi                      ==  3.141592653589793
  • (tabla f ns) escribe en el fichero f las n-ésimas aproximaciones de pi, donde n toma los valores de la lista ns, junto con sus errores. Por ejemplo, al evaluar la expresión
     tabla "AproximacionesPi.txt" [0,10..100]

hace que el contenido del fichero “AproximacionesPi.txt” sea

+------+----------------+----------------+
| n    | Aproximación   | Error          |
+------+----------------+----------------+
|    0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |
|   10 | 3.141406718497 | 0.000185935093 |
|   20 | 3.141565734659 | 0.000026918931 |
|   30 | 3.141584272675 | 0.000008380915 |
|   40 | 3.141589028941 | 0.000003624649 |
|   50 | 3.141590769850 | 0.000001883740 |
|   60 | 3.141591552546 | 0.000001101044 |
|   70 | 3.141591955265 | 0.000000698325 |
|   80 | 3.141592183260 | 0.000000470330 |
|   90 | 3.141592321886 | 0.000000331704 |
|  100 | 3.141592410972 | 0.000000242618 |
+------+----------------+----------------+

al evaluar la expresión

     tabla "AproximacionesPi.txt" [0,500..5000]

hace que el contenido del fichero “AproximacionesPi.txt” sea

+------+----------------+----------------+
| n    | Aproximación   | Error          |
+------+----------------+----------------+
|    0 | 3.000000000000 | 0.141592653590 |
|  500 | 3.141592651602 | 0.000000001988 |
| 1000 | 3.141592653341 | 0.000000000249 |
| 1500 | 3.141592653516 | 0.000000000074 |
| 2000 | 3.141592653559 | 0.000000000031 |
| 2500 | 3.141592653574 | 0.000000000016 |
| 3000 | 3.141592653581 | 0.000000000009 |
| 3500 | 3.141592653584 | 0.000000000006 |
| 4000 | 3.141592653586 | 0.000000000004 |
| 4500 | 3.141592653587 | 0.000000000003 |
| 5000 | 3.141592653588 | 0.000000000002 |
+------+----------------+----------------+

Soluciones

import Text.Printf
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
aproximacionPi :: Int -> Double
aproximacionPi n = serieNilakantha !! n
 
serieNilakantha :: [Double]
serieNilakantha = scanl1 (+) terminosNilakantha
 
terminosNilakantha :: [Double]
terminosNilakantha = zipWith (/) numeradores denominadores
  where numeradores   = 3 : cycle [4,-4]
        denominadores = 1 : [n*(n+1)*(n+2) | n <- [2,4..]]
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
aproximacionPi2 :: Int -> Double
aproximacionPi2 = aux 3 2 1
  where aux x _ _ 0 = x
        aux x y z m =
          aux (x+4/product[y..y+2]*z) (y+2) (negate z) (m-1)
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> aproximacionPi (2*10^5)
--    3.141592653589787
--    (0.82 secs, 145,964,728 bytes)
--    λ> aproximacionPi2 (2*10^5)
--    3.141592653589787
--    (2.27 secs, 432,463,496 bytes)
--    λ> aproximacionPi (3*10^5)
--    3.141592653589787
--    (0.34 secs, 73,056,488 bytes)
--    λ> aproximacionPi2 (3*10^5)
--    3.141592653589787
--    (3.24 secs, 648,603,824 bytes)
 
-- Definicioń de tabla
-- ===================
 
tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()
tabla f ns = do
  writeFile f (tablaAux ns)
 
tablaAux :: [Int] -> String
tablaAux ns =
     linea
  ++ cabecera
  ++ linea
  ++ concat [printf "| %4d | %.12f | %.12f |\n" n a e
            | n <- ns
            , let a = aproximacionPi n
            , let e = abs (pi - a)]
  ++ linea
 
linea :: String
linea = "+------+----------------+----------------+\n"
 
cabecera :: String
cabecera = "| n    | Aproximación   | Error          |\n"

Triángulo de Bell

El triágulo de Bell es el triángulo numérico, cuya primera fila es [1] y en cada fila, el primer elemento es el último de la fila anterior y el elemento en la posición j se obtiene sumando el elemento anterior de su misma fila y de la fila anterior. Sus primeras filas son

   1 
   1   2
   2   3   5
   5   7  10  15
   15 20  27  37  52
   52 67  87 114 151 203

Definir la función

   trianguloDeBell :: [[Integer]]

tal que trianguloDeBell es la lista con las filas de dicho triángulo. Por ejemplo

   λ> take 5 trianguloDeBell
   [[1],[1,2],[2,3,5],[5,7,10,15],[15,20,27,37,52]]

Comprobar con QuickCheck que los números que aparecen en la primera columna del triángulo coinciden con los números de Bell; es decir, el primer elemento de la n-ésima fila es el n-ésimo número de Bell.

Soluciones

import Data.List (genericIndex, genericLength)
import Test.QuickCheck
 
trianguloDeBell :: [[Integer]]
trianguloDeBell = iterate siguiente [1]
 
-- (siguiente xs) es la fila siguiente de xs en el triángulo de
-- Bell. Por ejemplo,
--    siguiente [1]     ==  [1,2]
--    siguiente [1,2]   ==  [2,3,5]
--    siguiente [2,3,5] ==  [5,7,10,15]
siguiente :: [Integer] -> [Integer]
siguiente xs = last xs : zipWith (+) xs (siguiente xs)
 
-- Propiedad
-- =========
 
-- La propiedad es
prop_TrianguloDeBell :: Integer -> Property
prop_TrianguloDeBell n =
  n > 0 ==> head (trianguloDeBell `genericIndex` n) == bell n
 
-- (bell n) es el n-ésimo número de Bell definido en el ejercicio
-- anterior.  
bell :: Integer -> Integer
bell n = genericLength (particiones [1..n])
 
particiones :: [a] -> [[[a]]]
particiones [] = [[]]
particiones (x:xs) =
  concat [([x] : yss) : inserta x yss | yss <- ysss]
  where ysss = particiones xs
 
inserta :: a -> [[a]] -> [[[a]]]
inserta _ []       = []
inserta x (ys:yss) = ((x:ys):yss) : [ys : zs | zs <- inserta x yss] 
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=10}) prop_TrianguloDeBell
--    +++ OK, passed 100 tests.

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>

Pensamiento

“La ciencia es lo que entendemos lo suficientemente bien como para explicarle a una computadora. El arte es todo lo demás.”

Donald Knuth.

Codificación de Gödel

El Consejo Ejecutivo de la UNESCO ha proclamado el 14 de enero como Día mundial de la Lógica.

La fecha del 14 de enero se ha eligido para rendir homenaje a dos grandes lógicos del siglo XX: Kurt Gödel (que falleció el 14 de enero de 1978) y Alfred Tarski (que nació el 14 de enero de 1901).

Gödel demostró en 1931 los teoremas de incompletitud y para su demostración introdujo la actualmente conocida como codificación de Gödel que asigna a cada fórmula de un lenguaje formal un número único.

Dada una lista de números naturales xs, la codificación de Gödel de xs se obtiene multiplicando las potencias de los primos sucesivos, siendo los exponentes los sucesores de los elementos de xs. Por ejemplo, si xs es [6,0,4], la codificación de xs es

   2^(6+1) * 3^(0+1) * 5^(4+1) = 1200000

Definir las funciones

   codificaG   :: [Integer] -> Integer
   decodificaG :: Integer -> [Integer]

tales que

  • (codificaG xs) es la codificación de Gödel de xs. Por ejemplo,
     codificaG [6,0,4]            ==  1200000
     codificaG [3,1,1]            ==  3600
     codificaG [3,1,0,0,0,0,0,1]  ==  4423058640
     codificaG [1..6]             ==  126111168580452537982500
  • (decodificaG n) es la lista xs cuya codificación es n. Por ejemplo,
     decodificaG 1200000                   ==  [6,0,4]
     decodificaG 3600                      ==  [3,1,1]
     decodificaG 4423058640                ==  [3,1,0,0,0,0,0,1]
     decodificaG 126111168580452537982500  ==  [1,2,3,4,5,6]

Comprobar con QuickCheck que decodificaG es la inversa por la izquierda de codificaG; es decir, para toda lista xs de números enteros, se verifica que

   decodificaG (codificaG ys) == ys

donde ys es la lista de los valores absolutos de los elementos de xs.

Soluciones

import Data.List (genericLength, group)
import Data.Numbers.Primes (primes, primeFactors)
import Test.QuickCheck
 
codificaG   :: [Integer] -> Integer
codificaG xs = product [p^(x+1) | (p,x) <- zip primes xs] 
 
decodificaG :: Integer -> [Integer]
decodificaG n =
  [genericLength xs - 1 | xs <- group (primeFactors n)]
 
-- La propiedad es
propCodifica1 :: [Integer] -> Bool
propCodifica1 xs =
  decodificaG (codificaG ys) == ys
  where ys = map abs xs
 
-- La comprobación es
--    ghci> quickCheck propCodifica1
--    +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

La verdad es la verdad, dígala Agamenón o su porquero.
– Agamenón: Conforme.
– El porquero: No me convence.

Antonio Machado