zipWith

Impares en filas del triángulo de Pascal

PorJosé A. Alonso 30-enero-20196-febrero-2019

El triángulo de Pascal es un triángulo de números

         1
        1 1
       1 2 1
     1  3 3  1
    1 4  6  4 1
   1 5 10 10 5 1
  ...............

1 1

1 2 1

1 3 3 1

1 4 6 4 1

1 5 10 10 5 1

...............

construido de la siguiente forma

la primera fila está formada por el número 1;
las filas siguientes se construyen sumando los números adyacentes de la fila superior y añadiendo un 1 al principio y al final de la fila.

Definir las funciones

   imparesPascal          :: [[Integer]]
   nImparesPascal         :: [Int]
   grafica_nImparesPascal :: Int -> IO ()

imparesPascal :: [[Integer]]

nImparesPascal :: [Int]

grafica_nImparesPascal :: Int -> IO ()

tales que

imparesPascal es la lista de los elementos impares en cada una de las filas del triángulo de Pascal. Por ejemplo,

     λ> take 8 imparesPascal
     [[1],[1,1],[1,1],[1,3,3,1],[1,1],[1,5,5,1],[1,15,15,1],[1,7,21,35,35,21,7,1]]

1 2	λ> take 8 imparesPascal [[1],[1,1],[1,1],[1,3,3,1],[1,1],[1,5,5,1],[1,15,15,1],[1,7,21,35,35,21,7,1]]

nImparesPascal es la lista del número de elementos impares en cada una de las filas del triángulo de Pascal. Por ejemplo,

     λ> take 32 nImparesPascal
     [1,2,2,4,2,4,4,8,2,4,4,8,4,8,8,16,2,4,4,8,4,8,8,16,4,8,8,16,8,16,16,32]
     λ> maximum (take (10^6) nImparesPascal3)
     524288

λ> take 32 nImparesPascal

[1,2,2,4,2,4,4,8,2,4,4,8,4,8,8,16,2,4,4,8,4,8,8,16,4,8,8,16,8,16,16,32]

λ> maximum (take (10^6) nImparesPascal3)

524288

(grafica_nImparesPascal n) dibuja la gráfica de los n primeros términos de nImparesPascal. Por ejemplo, (grafica_nImparesPascal 50) dibuja

y (grafica_nImparesPascal 100) dibuja

Comprobar con QuickCheck que todos los elementos de nImparesPascal son potencias de dos.

Soluciones

import Data.List (transpose)
import Test.QuickCheck
import Graphics.Gnuplot.Simple

-- 1ª definición de imparesPascal
-- ==============================

imparesPascal :: [[Integer]]
imparesPascal =
  map (filter odd) pascal

-- pascal es la lista de las filas del triángulo de Pascal. Por ejemplo,
--    λ> take 7 pascal
--    [[1],[1,1],[1,2,1],[1,3,3,1],[1,4,6,4,1],[1,5,10,10,5,1],[1,6,15,20,15,6,1]]
pascal :: [[Integer]]
pascal = [1] : map f pascal
  where f xs = zipWith (+) (0:xs) (xs++[0])

-- 2ª definición de imparesPascal
-- ==============================

imparesPascal2 :: [[Integer]]
imparesPascal2 =
  map (filter odd) pascal

pascal2 :: [[Integer]]
pascal2 = iterate f [1]
  where f xs = zipWith (+) (0:xs) (xs++[0])

-- 1ª definición de nImparesPascal
-- ===============================

nImparesPascal :: [Int]
nImparesPascal =
  map length imparesPascal

-- 2ª definición de nImparesPascal
-- ===============================

nImparesPascal2 :: [Int]
nImparesPascal2 =
  map (length . filter odd) imparesPascal

-- 3ª definición de nImparesPascal
-- ===============================

--    λ> take 32 nImparesPascal2
--    [1,2,
--     2,4,
--     2,4,4,8,
--     2,4,4,8,4,8,8,16,
--     2,4,4,8,4,8,8,16,4,8,8,16,8,16,16,32]
nImparesPascal3 :: [Int]
nImparesPascal3 = 1 : zs
  where zs = 2 : concat (transpose [zs, map (*2) zs])

-- Definición de grafica_nImparesPascal
-- =========================================

grafica_nImparesPascal :: Int -> IO ()
grafica_nImparesPascal n =
  plotListStyle
    [ Key Nothing
    , PNG ("Impares_en_filas_del_triangulo_de_Pascal_" ++ show n ++ ".png")
    ]
    (defaultStyle {plotType = LinesPoints})
    (take n nImparesPascal3)

-- Propiedad de nImparesPascal
-- ===========================

-- La propiedad es
prop_nImparesPascal :: Positive Int -> Bool
prop_nImparesPascal (Positive n) =
  esPotenciaDeDos (nImparesPascal3 !! n)

-- (esPotenciaDeDos n) se verifica si n es una potencia de dos. Por
-- ejemplo,
--    esPotenciaDeDos 16  ==  True
--    esPotenciaDeDos 18  ==  False
esPotenciaDeDos :: Int -> Bool
esPotenciaDeDos 1 = True
esPotenciaDeDos n = even n && esPotenciaDeDos (n `div` 2)

-- La comprobación es
--    λ> quickCheck prop_nImparesPascal
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (transpose)

import Test.QuickCheck

import Graphics.Gnuplot.Simple

-- 1ª definición de imparesPascal

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

imparesPascal :: [[Integer]]

imparesPascal =

map (filter odd) pascal

-- pascal es la lista de las filas del triángulo de Pascal. Por ejemplo,

-- λ> take 7 pascal

-- [[1],[1,1],[1,2,1],[1,3,3,1],[1,4,6,4,1],[1,5,10,10,5,1],[1,6,15,20,15,6,1]]

pascal :: [[Integer]]

pascal = [1] : map f pascal

where f xs = zipWith (+) (0:xs) (xs++[0])

-- 2ª definición de imparesPascal

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

imparesPascal2 :: [[Integer]]

imparesPascal2 =

map (filter odd) pascal

pascal2 :: [[Integer]]

pascal2 = iterate f [1]

where f xs = zipWith (+) (0:xs) (xs++[0])

-- 1ª definición de nImparesPascal

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

nImparesPascal :: [Int]

nImparesPascal =

map length imparesPascal

-- 2ª definición de nImparesPascal

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

nImparesPascal2 :: [Int]

nImparesPascal2 =

map (length . filter odd) imparesPascal

-- 3ª definición de nImparesPascal

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

-- λ> take 32 nImparesPascal2

-- [1,2,

-- 2,4,

-- 2,4,4,8,

-- 2,4,4,8,4,8,8,16,

-- 2,4,4,8,4,8,8,16,4,8,8,16,8,16,16,32]

nImparesPascal3 :: [Int]

nImparesPascal3 = 1 : zs

where zs = 2 : concat (transpose [zs, map (*2) zs])

-- Definición de grafica_nImparesPascal

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

grafica_nImparesPascal :: Int -> IO ()

grafica_nImparesPascal n =

plotListStyle

[ Key Nothing

, PNG ("Impares_en_filas_del_triangulo_de_Pascal_" ++ show n ++ ".png")

]

(defaultStyle {plotType = LinesPoints})

(take n nImparesPascal3)

-- Propiedad de nImparesPascal

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

-- La propiedad es

prop_nImparesPascal :: Positive Int -> Bool

prop_nImparesPascal (Positive n) =

esPotenciaDeDos (nImparesPascal3 !! n)

-- (esPotenciaDeDos n) se verifica si n es una potencia de dos. Por

-- ejemplo,

-- esPotenciaDeDos 16 == True

-- esPotenciaDeDos 18 == False

esPotenciaDeDos :: Int -> Bool

esPotenciaDeDos 1 = True

esPotenciaDeDos n = even n && esPotenciaDeDos (n `div` 2)

-- La comprobación es

-- λ> quickCheck prop_nImparesPascal

-- +++ OK, passed 100 tests.

Pensamiento

De lo que llaman los hombres
virtud, justicia y bondad,
una mitad es envidia,
y la otra no es caridad.

Antonio Machado

Árboles con n elementos

PorJosé A. Alonso 29-enero-20195-febrero-2019

Los árboles binarios se pueden representar con

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

data Arbol a = H a

| N a (Arbol a) (Arbol a)

deriving (Show, Eq)

Definir las funciones

   arboles  :: Integer -> a -> [Arbol a]
   nArboles :: [Integer]

1 2	arboles :: Integer -> a -> [Arbol a] nArboles :: [Integer]

tales que

(arboles n x) es la lista de todos los árboles binarios con n elementos iguales a x. Por ejemplo,

     λ> arboles 0 7
     []
     λ> arboles 1 7
     [H 7]
     λ> arboles 2 7
     []
     λ> arboles 3 7
     [N 7 (H 7) (H 7)]
     λ> arboles 4 7
     []
     λ> arboles 5 7
     [N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7)),N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)]
     λ> arboles 6 7
     []
     λ> arboles 7 7
     [N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7))),
      N 7 (H 7) (N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)),
      N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (N 7 (H 7) (H 7)),
      N 7 (N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7))) (H 7),
      N 7 (N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)) (H 7)]

λ> arboles 0 7

[]

λ> arboles 1 7

[H 7]

λ> arboles 2 7

[]

λ> arboles 3 7

[N 7 (H 7) (H 7)]

λ> arboles 4 7

[]

λ> arboles 5 7

[N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7)),N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)]

λ> arboles 6 7

[]

λ> arboles 7 7

[N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7))),

N 7 (H 7) (N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)),

N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (N 7 (H 7) (H 7)),

N 7 (N 7 (H 7) (N 7 (H 7) (H 7))) (H 7),

N 7 (N 7 (N 7 (H 7) (H 7)) (H 7)) (H 7)]

nArboles es la sucesión de los números de árboles con k elementos iguales a 7, con k ∈ {1,3,5,…}. Por ejemplo,

     λ> take 14 nArboles
     [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900]
     λ> nArboles !! 100
     896519947090131496687170070074100632420837521538745909320
     λ> length (show (nArboles !! 1000))
     598

λ> take 14 nArboles

[1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900]

λ> nArboles !! 100

896519947090131496687170070074100632420837521538745909320

λ> length (show (nArboles !! 1000))

598

Soluciones

import Data.List (genericLength)

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

-- 1ª definición de arboles
-- ========================

arboles :: Integer -> a -> [Arbol a]
arboles 0 _ = []
arboles 1 x = [H x]
arboles n x = [N x i d | k <- [0..n-1],
                         i <- arboles k x,
                         d <- arboles (n-1-k) x]

-- 2ª definición de arboles
-- ========================

arboles2 :: Integer -> a -> [Arbol a]
arboles2 0 _ = []
arboles2 1 x = [H x]
arboles2 n x = [N x i d | k <- [1,3..n-1],
                          i <- arboles2 k x,
                          d <- arboles2 (n-1-k) x]
  
-- 1ª definición de nArboles
-- =========================

nArboles :: [Integer]
nArboles = [genericLength (arboles2 n 7) | n <- [1,3..]]

-- 2ª definición de nArboles
-- =========================

-- Con la definición anterior se observa que nArboles es
--    1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900
-- son los números de Catalan https://en.wikipedia.org/wiki/Catalan_number
-- Una forma de calcularlos (ver https://oeis.org/A000108) es
--     (2n)!/(n!(n+1)!)

nArboles2 :: [Integer]
nArboles2 =
  [factorial (2*n) `div` (factorial n * factorial (n+1)) | n <- [0..]]

factorial :: Integer -> Integer
factorial n = product [1..n]

-- 3ª definición de nArboles
-- =========================

-- 1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900

--  1
--  1 = 1*1
--  2 = 1*1  + 1*1
--  5 = 1*2  + 1*1 + 2*1
-- 14 = 1*5  + 1*2 + 2*1 + 5*1 
-- 42 = 1*14 + 1*5 + 2*2 + 5*1 + 14*1

nArboles3 :: [Integer]
nArboles3 = 1 : aux [1]
  where aux cs = c : aux (c:cs)
          where c = sum (zipWith (*) cs (reverse cs))  

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

--    λ> length (show (nArboles !! 12))
--    6
--    (6.50 secs, 1,060,563,128 bytes)
--    λ> length (show (nArboles2 !! 12))
--    6
--    (0.01 secs, 108,520 bytes)
--    λ> length (show (nArboles3 !! 12))
--    6
--    (0.01 secs, 119,096 bytes)
--
--    λ> length (show (nArboles2 !! 1000))
--    598
--    (0.01 secs, 4,796,440 bytes)
--    λ> length (show (nArboles3 !! 1000))
--    598
--    (1.66 secs, 321,771,704 bytes)

import Data.List (genericLength)

data Arbol a = H a

| N a (Arbol a) (Arbol a)

deriving (Show, Eq)

-- 1ª definición de arboles

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

arboles :: Integer -> a -> [Arbol a]

arboles 0 _ = []

arboles 1 x = [H x]

arboles n x = [N x i d | k <- [0..n-1],

i <- arboles k x,

d <- arboles (n-1-k) x]

-- 2ª definición de arboles

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

arboles2 :: Integer -> a -> [Arbol a]

arboles2 0 _ = []

arboles2 1 x = [H x]

arboles2 n x = [N x i d | k <- [1,3..n-1],

i <- arboles2 k x,

d <- arboles2 (n-1-k) x]

-- 1ª definición de nArboles

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

nArboles :: [Integer]

nArboles = [genericLength (arboles2 n 7) | n <- [1,3..]]

-- 2ª definición de nArboles

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

-- Con la definición anterior se observa que nArboles es

-- 1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900

-- son los números de Catalan https://en.wikipedia.org/wiki/Catalan_number

-- Una forma de calcularlos (ver https://oeis.org/A000108) es

-- (2n)!/(n!(n+1)!)

nArboles2 :: [Integer]

nArboles2 =

[factorial (2*n) `div` (factorial n * factorial (n+1)) | n <- [0..]]

factorial :: Integer -> Integer

factorial n = product [1..n]

-- 3ª definición de nArboles

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

-- 1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900

-- 1

-- 1 = 1*1

-- 2 = 1*1 + 1*1

-- 5 = 1*2 + 1*1 + 2*1

-- 14 = 1*5 + 1*2 + 2*1 + 5*1

-- 42 = 1*14 + 1*5 + 2*2 + 5*1 + 14*1

nArboles3 :: [Integer]

nArboles3 = 1 : aux [1]

where aux cs = c : aux (c:cs)

where c = sum (zipWith (*) cs (reverse cs))

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> length (show (nArboles !! 12))

-- 6

-- (6.50 secs, 1,060,563,128 bytes)

-- λ> length (show (nArboles2 !! 12))

-- 6

-- (0.01 secs, 108,520 bytes)

-- λ> length (show (nArboles3 !! 12))

-- 6

-- (0.01 secs, 119,096 bytes)

-- λ> length (show (nArboles2 !! 1000))

-- 598

-- (0.01 secs, 4,796,440 bytes)

-- λ> length (show (nArboles3 !! 1000))

-- 598

-- (1.66 secs, 321,771,704 bytes)

Pensamiento

Ni vale nada el fruto
cogido sin sazón …
Ni aunque te elogie un bruto
ha de tener razón.

Antonio Machado

Polinomios de Fibonacci

PorJosé A. Alonso 21-mayo-201828-mayo-2018

La sucesión de polinomios de Fibonacci se define por

   p(0) = 0
   p(1) = 1
   p(n) = x*p(n-1) + p(n-2)

p(0) = 0

p(1) = 1

p(n) = x*p(n-1) + p(n-2)

Los primeros términos de la sucesión son

   p(2) = x
   p(3) = x^2 + 1
   p(4) = x^3 + 2*x
   p(5) = x^4 + 3*x^2 + 1

p(2) = x

p(3) = x^2 + 1

p(4) = x^3 + 2*x

p(5) = x^4 + 3*x^2 + 1

Definir la lista

   sucPolFib :: [Polinomio Integer]

1	sucPolFib :: [Polinomio Integer]

tal que sus elementos son los polinomios de Fibonacci. Por ejemplo,

   λ> take 7 sucPolFib
   [0,1,1*x,x^2 + 1,x^3 + 2*x,x^4 + 3*x^2 + 1,x^5 + 4*x^3 + 3*x]
   λ> sum (map grado (take 3000 sucPolFib2))
   4495501

λ> take 7 sucPolFib

[0,1,1*x,x^2 + 1,x^3 + 2*x,x^4 + 3*x^2 + 1,x^5 + 4*x^3 + 3*x]

λ> sum (map grado (take 3000 sucPolFib2))

4495501

Comprobar con QuickCheck que el valor del n-ésimo término de sucPolFib para x=1 es el n-ésimo término de la sucesión de Fibonacci 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, …

Nota. Limitar la búsqueda a ejemplos pequeños usando

   quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib

1	quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib

Soluciones

import Data.List (genericIndex)
import I1M.PolOperaciones
import Test.QuickCheck

-- 1ª solución
-- ===========

sucPolFib :: [Polinomio Integer]
sucPolFib = [polFibR n | n <- [0..]]

polFibR :: Integer -> Polinomio Integer
polFibR 0 = polCero
polFibR 1 = polUnidad
polFibR n = 
  sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) (polFibR (n-1)))
          (polFibR (n-2))

-- 2ª definición (dinámica)
-- ========================

sucPolFib2 :: [Polinomio Integer]
sucPolFib2 = 
  polCero : polUnidad : zipWith f (tail sucPolFib2) sucPolFib2
  where f p = sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) p)

-- La propiedad es
prop_polFib :: Integer -> Property
prop_polFib n = 
    n >= 0 ==> valor (polFib n) 1 == fib n
    where polFib n = sucPolFib2 `genericIndex` n
          fib n    = fibs `genericIndex` n

fibs :: [Integer]
fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)

-- La comprobación es
--    ghci> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib
--    +++ OK, passed 100 tests.

import Data.List (genericIndex)

import I1M.PolOperaciones

import Test.QuickCheck

-- 1ª solución

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

sucPolFib :: [Polinomio Integer]

sucPolFib = [polFibR n | n <- [0..]]

polFibR :: Integer -> Polinomio Integer

polFibR 0 = polCero

polFibR 1 = polUnidad

polFibR n =

sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) (polFibR (n-1)))

(polFibR (n-2))

-- 2ª definición (dinámica)

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

sucPolFib2 :: [Polinomio Integer]

sucPolFib2 =

polCero : polUnidad : zipWith f (tail sucPolFib2) sucPolFib2

where f p = sumaPol (multPol (consPol 1 1 polCero) p)

-- La propiedad es

prop_polFib :: Integer -> Property

prop_polFib n =

n >= 0 ==> valor (polFib n) 1 == fib n

where polFib n = sucPolFib2 `genericIndex` n

fib n = fibs `genericIndex` n

fibs :: [Integer]

fibs = 0 : 1 : zipWith (+) fibs (tail fibs)

-- La comprobación es

-- ghci> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=5}) prop_polFib

-- +++ OK, passed 100 tests.

Número de triangulaciones de un polígono

PorJosé A. Alonso 7-mayo-201825-abril-2021

Una triangulación de un polígono es una división del área en un conjunto de triángulos, de forma que la unión de todos ellos es igual al polígono original, y cualquier par de triángulos es disjunto o comparte únicamente un vértice o un lado. En el caso de polígonos convexos, la cantidad de triangulaciones posibles depende únicamente del número de vértices del polígono.

Si llamamos T(n) al número de triangulaciones de un polígono de n vértices, se verifica la siguiente relación de recurrencia:

    T(2) = 1
    T(n) = T(2)*T(n-1) + T(3)*T(n-2) + ... + T(n-1)*T(2)

1 2	T(2) = 1 T(n) = T(2)T(n-1) + T(3)T(n-2) + ... + T(n-1)*T(2)

Definir la función

   numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer

1	numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer

tal que (numeroTriangulaciones n) es el número de triangulaciones de un polígono convexo de n vértices. Por ejemplo,

   numeroTriangulaciones 3  == 1
   numeroTriangulaciones 5  == 5
   numeroTriangulaciones 6  == 14
   numeroTriangulaciones 7  == 42
   numeroTriangulaciones 50 == 131327898242169365477991900
   length (show (numeroTriangulaciones   800)) ==  476
   length (show (numeroTriangulaciones  1000)) ==  597
   length (show (numeroTriangulaciones 10000)) == 6014

numeroTriangulaciones 3 == 1

numeroTriangulaciones 5 == 5

numeroTriangulaciones 6 == 14

numeroTriangulaciones 7 == 42

numeroTriangulaciones 50 == 131327898242169365477991900

length (show (numeroTriangulaciones 800)) == 476

length (show (numeroTriangulaciones 1000)) == 597

length (show (numeroTriangulaciones 10000)) == 6014

Soluciones

import Data.Array (Array, (!), array)
import Data.List  (genericIndex)
import qualified Data.Vector as V

-- 1ª solución (por recursión)
-- ===========================

numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones 2 = 1
numeroTriangulaciones n = sum (zipWith (*) ts (reverse ts))
  where ts = [numeroTriangulaciones k | k <- [2..n-1]]

-- 2ª solución
-- ===========

--    λ> map numeroTriangulaciones2 [2..15]
--    [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900]
numeroTriangulaciones2 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones2 n = 
  head (sucNumeroTriangulacionesInversas `genericIndex` (n-2))

--    λ> mapM_ print (take 10 sucNumeroTriangulacionesInversas)
--    [1]
--    [1,1]
--    [2,1,1]
--    [5,2,1,1]
--    [14,5,2,1,1]
--    [42,14,5,2,1,1]
--    [132,42,14,5,2,1,1]
--    [429,132,42,14,5,2,1,1]
--    [1430,429,132,42,14,5,2,1,1]
--    [4862,1430,429,132,42,14,5,2,1,1]
sucNumeroTriangulacionesInversas :: [[Integer]]        
sucNumeroTriangulacionesInversas = iterate f [1]
  where f ts = sum (zipWith (*) ts (reverse ts)) : ts

-- 3ª solución (con programación dinámica)
-- =======================================

numeroTriangulaciones3 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones3 n = vectorTriang n ! n

--    λ> vectorTriang 9
--    array (2,9) [(2,1),(3,1),(4,2),(5,5),(6,14),(7,42),(8,132),(9,429)]
vectorTriang :: Integer -> Array Integer Integer
vectorTriang n = v
  where v = array (2,n) [(i, f i) | i <-[2..n]]
        f 2 = 1
        f i = sum [v!j*v!(i-j+1) | j <-[2..i-1]]

-- 4ª solución (con los números de Catalan)
-- ========================================

-- Al calcular por primeros números de triangulaciones se obtiene
--    λ> map numeroTriangulaciones [2..12]
--    [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796]
-- Se observa que se corresponden con los números de Catalan
-- http://bit.ly/2FOc1S1
-- 
-- El n-ésimo número de Catalan es
--    (2n)! / (n! * (n+1)!)
-- El número de triangulaciones de un polígono de n lados es el
-- (n-2)-ésimo número de Catalan.

numeroTriangulaciones4 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones4 n = numeroCatalan (n-2) 

numeroCatalan :: Integer -> Integer
numeroCatalan n =
  factorial (2*n) `div` (factorial (n+1) * factorial n)

factorial :: Integer -> Integer
factorial n = product [1..n]

-- 5ª solución
-- ===========

numeroTriangulaciones5 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones5 n = v V.! (m-2)
   where v = V.constructN m
           (\w -> if   V.null w then 1
                  else V.sum (V.zipWith (*) w (V.reverse w)))
         m = fromIntegral n


-- 6ª solución
-- ===========

numeroTriangulaciones6 :: Integer -> Integer
numeroTriangulaciones6 n = nCr (2*n-4, n-2) `div` (n-1)
  where nCr (n,m)   = factorial n `div` (factorial (n-m) * factorial m)
        factorial n = product [1..n]

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

--    λ> numeroTriangulaciones 22
--    6564120420
--    (3.97 secs, 668,070,936 bytes)
--    λ> numeroTriangulaciones2 22
--    6564120420
--    (0.01 secs, 180,064 bytes)
--    λ> numeroTriangulaciones3 22
--    6564120420
--    (0.01 secs, 285,792 bytes)
--    
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones2 800))
--    476
--    (0.59 secs, 125,026,824 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones3 800))
--    476
--    (1.95 secs, 334,652,936 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones4 800))
--    476
--    (0.01 secs, 2,960,088 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones5 800))
--    476
--    (0.65 secs, 200,415,640 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones6 800))
--    476
--    (0.01 secs, 2,960,224 bytes)
--    
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones4 (10^4)))
--    6014
--    (1.80 secs, 542,364,320 bytes)
--    λ> length (show (numeroTriangulaciones6 (10^4)))
--    6014
--    (1.87 secs, 542,351,136 bytes)

100

101

102

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120

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122

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124

125

126

127

128

import Data.Array (Array, (!), array)

import Data.List (genericIndex)

import qualified Data.Vector as V

-- 1ª solución (por recursión)

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

numeroTriangulaciones :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones 2 = 1

numeroTriangulaciones n = sum (zipWith (*) ts (reverse ts))

where ts = [numeroTriangulaciones k | k <- [2..n-1]]

-- 2ª solución

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

-- λ> map numeroTriangulaciones2 [2..15]

-- [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796,58786,208012,742900]

numeroTriangulaciones2 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones2 n =

head (sucNumeroTriangulacionesInversas `genericIndex` (n-2))

-- λ> mapM_ print (take 10 sucNumeroTriangulacionesInversas)

-- [1]

-- [1,1]

-- [2,1,1]

-- [5,2,1,1]

-- [14,5,2,1,1]

-- [42,14,5,2,1,1]

-- [132,42,14,5,2,1,1]

-- [429,132,42,14,5,2,1,1]

-- [1430,429,132,42,14,5,2,1,1]

-- [4862,1430,429,132,42,14,5,2,1,1]

sucNumeroTriangulacionesInversas :: [[Integer]]

sucNumeroTriangulacionesInversas = iterate f [1]

where f ts = sum (zipWith (*) ts (reverse ts)) : ts

-- 3ª solución (con programación dinámica)

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

numeroTriangulaciones3 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones3 n = vectorTriang n ! n

-- λ> vectorTriang 9

-- array (2,9) [(2,1),(3,1),(4,2),(5,5),(6,14),(7,42),(8,132),(9,429)]

vectorTriang :: Integer -> Array Integer Integer

vectorTriang n = v

where v = array (2,n) [(i, f i) | i <-[2..n]]

f 2 = 1

f i = sum [v!j*v!(i-j+1) | j <-[2..i-1]]

-- 4ª solución (con los números de Catalan)

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

-- Al calcular por primeros números de triangulaciones se obtiene

-- λ> map numeroTriangulaciones [2..12]

-- [1,1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,16796]

-- Se observa que se corresponden con los números de Catalan

-- http://bit.ly/2FOc1S1

-- El n-ésimo número de Catalan es

-- (2n)! / (n! * (n+1)!)

-- El número de triangulaciones de un polígono de n lados es el

-- (n-2)-ésimo número de Catalan.

numeroTriangulaciones4 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones4 n = numeroCatalan (n-2)

numeroCatalan :: Integer -> Integer

numeroCatalan n =

factorial (2*n) `div` (factorial (n+1) * factorial n)

factorial :: Integer -> Integer

factorial n = product [1..n]

-- 5ª solución

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

numeroTriangulaciones5 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones5 n = v V.! (m-2)

where v = V.constructN m

(\w -> if V.null w then 1

else V.sum (V.zipWith (*) w (V.reverse w)))

m = fromIntegral n

-- 6ª solución

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

numeroTriangulaciones6 :: Integer -> Integer

numeroTriangulaciones6 n = nCr (2*n-4, n-2) `div` (n-1)

where nCr (n,m) = factorial n `div` (factorial (n-m) * factorial m)

factorial n = product [1..n]

-- Comparación de eficiencia

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

-- λ> numeroTriangulaciones 22

-- 6564120420

-- (3.97 secs, 668,070,936 bytes)

-- λ> numeroTriangulaciones2 22

-- 6564120420

-- (0.01 secs, 180,064 bytes)

-- λ> numeroTriangulaciones3 22

-- 6564120420

-- (0.01 secs, 285,792 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones2 800))

-- 476

-- (0.59 secs, 125,026,824 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones3 800))

-- 476

-- (1.95 secs, 334,652,936 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones4 800))

-- 476

-- (0.01 secs, 2,960,088 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones5 800))

-- 476

-- (0.65 secs, 200,415,640 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones6 800))

-- 476

-- (0.01 secs, 2,960,224 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones4 (10^4)))

-- 6014

-- (1.80 secs, 542,364,320 bytes)

-- λ> length (show (numeroTriangulaciones6 (10^4)))

-- 6014

-- (1.87 secs, 542,351,136 bytes)

Operaciones con series de potencias

PorJosé A. Alonso 27-abril-201825-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..]

Impares en filas del triángulo de Pascal

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Polinomios de Fibonacci

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Operaciones con series de potencias

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