zipWith

Operaciones con series de potencias

PorJosé A. Alonso 26-abril-201925-marzo-2022

Una serie de potencias es una serie de la forma

   a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³ + ...

1	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! + ...

1	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]

1	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

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]

1 2	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]

1 2	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]

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]

1 2	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]

1 2	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]

1 2	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]

1 2	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]

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..]

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..]

Pensamiento

Ni mármol duro y eterno,
ni música ni pintura,
sino palabra en el tiempo.

Antonio Machado

Problema de las puertas

PorJosé A. Alonso 24-abril-201925-abril-2021

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

1	data Estado = Abierta \| Cerrada deriving Show

Definir la función

   final :: Int -> [Estado]

1	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]

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)

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

-- 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)

Pensamiento

… cuánto exilio en la presencia cabe.

Antonio Machado

Distribución de diferencias de dígitos consecutivos de pi

PorJosé A. Alonso 4-abril-201911-abril-2019

Usando la librería Data.Number.CReal, que se instala con

   cabal install number

1	cabal install number

se pueden calcular el número pi con la precisión que se desee. Por ejemplo,

   λ> import Data.Number.CReal
   λ> showCReal 60 pi
   "3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974945"

λ> import Data.Number.CReal

λ> showCReal 60 pi

"3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974945"

importa la librería y calcula el número pi con 60 decimales.

La distribución de las diferencias de los dígitos consecutivos para los 18 primeros n dígitos de pi se calcula como sigue: los primeros 18 dígitos de pi son

   3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3

1	3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5, 8, 9, 7, 9, 3, 2, 3

Las diferencias de sus elementos consecutivos es

   2, -3, 3, -4, -4, 7, -4, 1, 2, -2, -3, -1, 2, -2, 6, 1, -1

1	2, -3, 3, -4, -4, 7, -4, 1, 2, -2, -3, -1, 2, -2, 6, 1, -1

y la distribución de sus frecuencias en el intervalo [-9,9] es

   0, 0, 0, 0, 0, 3, 2, 2, 2, 0, 2, 3, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0

1	0, 0, 0, 0, 0, 3, 2, 2, 2, 0, 2, 3, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0

es decir, el desde el -9 a -5 no aparecen, el -4 aparece 3 veces, el -2 aparece 2 veces y así sucesivamente.

Definir las funciones

   distribucionDDCpi :: Int -> [Int]
   graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

1 2	distribucionDDCpi :: Int -> [Int] graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

tales que

(distribucionDDCpi n) es la distribución de las diferencias de los dígitos consecutivos para los primeros n dígitos de pi. Por ejemplo,

     λ> distribucionDDCpi 18
     [0,0,0,0,0,3,2,2,2,0,2,3,1,0,0,1,1,0,0]
     λ> distribucionDDCpi 100
     [1,2,1,7,7,7,6,5,8,6,7,14,4,9,3,6,4,1,0]
     λ> distribucionDDCpi 200
     [3,6,2,13,14,12,11,12,15,17,15,19,11,17,8,13,9,2,0]
     λ> distribucionDDCpi 1000
     [16,25,23,44,57,61,55,75,92,98,80,88,64,65,42,54,39,14,8]
     λ> distribucionDDCpi 5000
     [67,99,130,196,245,314,361,391,453,468,447,407,377,304,242,221,134,97,47]

λ> distribucionDDCpi 18

[0,0,0,0,0,3,2,2,2,0,2,3,1,0,0,1,1,0,0]

λ> distribucionDDCpi 100

[1,2,1,7,7,7,6,5,8,6,7,14,4,9,3,6,4,1,0]

λ> distribucionDDCpi 200

[3,6,2,13,14,12,11,12,15,17,15,19,11,17,8,13,9,2,0]

λ> distribucionDDCpi 1000

[16,25,23,44,57,61,55,75,92,98,80,88,64,65,42,54,39,14,8]

λ> distribucionDDCpi 5000

[67,99,130,196,245,314,361,391,453,468,447,407,377,304,242,221,134,97,47]

(graficas ns f) dibuja en el fichero f las gráficas de las distribuciones de las diferencias de los dígitos consecutivos para los primeros n dígitos de pi, para n en ns. Por ejemplo, al evaluar (graficas [100,250..4000] «distribucionDDCpi.png» se escribe en el fichero «distribucionDDCpi.png» la siguiente gráfica

Soluciones

import Data.Number.CReal
import Graphics.Gnuplot.Simple
import Data.Array

--    λ> digitosPi 18
--    [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3]
digitosPi :: Int -> [Int]
digitosPi n = init [read [c] | c <- (x:xs)]
  where (x:_:xs) = showCReal n pi

--    λ> diferenciasConsecutivos (digitosPi 18)
--    [2,-3,3,-4,-4,7,-4,1,2,-2,-3,-1,2,-2,6,1,-1]
diferenciasConsecutivos :: Num a => [a] -> [a]
diferenciasConsecutivos xs =
  zipWith (-) xs (tail xs)

distribucionDDCpi :: Int -> [Int]
distribucionDDCpi =
  distribucion . diferenciasConsecutivos . digitosPi
  where distribucion xs =
          elems (accumArray (+) 0 (-9,9) (zip xs (repeat 1)))

graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()
graficas ns f = 
  plotLists [Key Nothing, PNG f]
            [puntos n | n <- ns]
  where puntos :: Int -> [(Int,Int)]
        puntos n = zip [-9..9] (distribucionDDCpi n)

import Data.Number.CReal

import Graphics.Gnuplot.Simple

import Data.Array

-- λ> digitosPi 18

-- [3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3]

digitosPi :: Int -> [Int]

digitosPi n = init [read [c] | c <- (x:xs)]

where (x:_:xs) = showCReal n pi

-- λ> diferenciasConsecutivos (digitosPi 18)

-- [2,-3,3,-4,-4,7,-4,1,2,-2,-3,-1,2,-2,6,1,-1]

diferenciasConsecutivos :: Num a => [a] -> [a]

diferenciasConsecutivos xs =

zipWith (-) xs (tail xs)

distribucionDDCpi :: Int -> [Int]

distribucionDDCpi =

distribucion . diferenciasConsecutivos . digitosPi

where distribucion xs =

elems (accumArray (+) 0 (-9,9) (zip xs (repeat 1)))

graficas :: [Int] -> FilePath -> IO ()

graficas ns f =

plotLists [Key Nothing, PNG f]

[puntos n | n <- ns]

where puntos :: Int -> [(Int,Int)]

puntos n = zip [-9..9] (distribucionDDCpi n)

Pensamiento

Doy consejo, a fuer de viejo:
nunca sigas mi consejo.

Antonio Machado

Huecos de Aquiles

PorJosé A. Alonso 2-abril-201926-marzo-2022

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, ...

1	72, 108, 200, 288, 392, 432, 500, 648, 675, 800, 864, 968, 972, ...

Definir las funciones

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

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

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]

1 2	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)

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)

Pensamiento

Tengo a mis amigos
en mi soledad;
cuando estoy con ellos
¡qué lejos están!

Antonio Machado

Cálculo de pi mediante la serie de Nilakantha

PorJosé A. Alonso 13-febrero-201925-marzo-2022

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 ()

1 2	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

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]

1	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 |
+------+----------------+----------------+

+------+----------------+----------------+

| 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]

1	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 |
+------+----------------+----------------+

+------+----------------+----------------+

| 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)

-- 3ª solución
-- ===========

aproximacionPi3 :: Int -> Double
aproximacionPi3 x =
  3 + sum [(((-1)**(n+1))*4)/(2*n*(2*n+1)*(2*n+2))
          | n <- [1..fromIntegral x]]


-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> aproximacionPi (10^6)
--    3.141592653589787
--    (1.35 secs, 729,373,160 bytes)
--    λ> aproximacionPi2 (10^6)
--    3.141592653589787
--    (2.96 secs, 2,161,766,096 bytes)
--    λ> aproximacionPi3 (10^6)
--    3.1415926535897913
--    (2.02 secs, 1,121,372,536 bytes)

-- Definicioń de tabla
-- ===================

tabla :: FilePath -> [Int] -> IO ()
tabla f ns = 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"

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)

-- 3ª solución

-- ===========

aproximacionPi3 :: Int -> Double

aproximacionPi3 x =

3 + sum [(((-1)**(n+1))*4)/(2*n*(2*n+1)*(2*n+2))

| n <- [1..fromIntegral x]]

-- Comparación de eficiencia

-- =========================

-- λ> aproximacionPi (10^6)

-- 3.141592653589787

-- (1.35 secs, 729,373,160 bytes)

-- λ> aproximacionPi2 (10^6)

-- 3.141592653589787

-- (2.96 secs, 2,161,766,096 bytes)

-- λ> aproximacionPi3 (10^6)

-- 3.1415926535897913

-- (2.02 secs, 1,121,372,536 bytes)

-- Definicioń de tabla

-- ===================

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

tabla f ns = 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"

Pensamiento

Bueno es saber que los vasos
nos sirven para beber;
lo malo es que no sabemos
para que sirve la sed.

Antonio Machado

Operaciones con series de potencias

Soluciones

Pensamiento

Problema de las puertas

Soluciones

Pensamiento

Distribución de diferencias de dígitos consecutivos de pi

Soluciones

Pensamiento

Cálculo de pi mediante la serie de Nilakantha

Soluciones

Pensamiento

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