I1M2014: Ejercicios sobre árboles binarios en Haskell
En clase de hoy de Informática de 1º del Grado en Matemáticas hemos comentando las soluciones de los ejercicios de la 10ª relación, sobre árboles binarios.
Los ejercicios, y sus soluciones, se muestran a continuación.
Haskell
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-- --------------------------------------------------------------------- -- Introducción -- -- --------------------------------------------------------------------- -- En esta relación se presenta ejercicios sobre árboles binarios -- definidos como tipos de datos algebraicos. -- -- Los ejercicios corresponden al tema 9 cuyas transparencias se -- encuentran en -- http://www.cs.us.es/~jalonso/cursos/i1m-14/temas/tema-9.pdf -- --------------------------------------------------------------------- -- § Librerías auxiliares -- -- --------------------------------------------------------------------- import Test.QuickCheck import Control.Monad -- --------------------------------------------------------------------- -- Nota. En los siguientes ejercicios se trabajará con los árboles -- binarios definidos como sigue -- data Arbol a = H -- | N a (Arbol a) (Arbol a) -- deriving (Show, Eq) -- Por ejemplo, el árbol -- 9 -- / \ -- / \ -- 3 7 -- / \ -- 2 4 -- se representa por -- N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7) -- --------------------------------------------------------------------- data Arbol a = H a | N a (Arbol a) (Arbol a) deriving (Show, Eq) -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 1. Definir la función -- nHojas :: Arbol a -> Int -- tal que (nHojas x) es el número de hojas del árbol x. Por ejemplo, -- nHojas (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == 3 -- --------------------------------------------------------------------- nHojas :: Arbol a -> Int nHojas (H _) = 1 nHojas (N x i d) = nHojas i + nHojas d -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 2.1. Definir la función -- nNodos :: Arbol a -> Int -- tal que (nNodos x) es el número de nodos del árbol x. Por ejemplo, -- nNodos (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == 2 -- --------------------------------------------------------------------- nNodos :: Arbol a -> Int nNodos (H _) = 0 nNodos (N x i d) = 1 + nNodos i + nNodos d -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 2.2. Comprobar con QuickCheck que en todo árbol binario el -- número de sus hojas es igual al número de sus nodos más uno. -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_nHojas :: Arbol Int -> Bool prop_nHojas x = nHojas x == nNodos x + 1 -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_nHojas -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 3.1. Definir la función -- profundidad :: Arbol a -> Int -- tal que (profundidad x) es la profundidad del árbol x. Por ejemplo, -- profundidad (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == 2 -- profundidad (N 9 (N 3 (H 2) (N 1 (H 4) (H 5))) (H 7)) == 3 -- --------------------------------------------------------------------- profundidad :: Arbol a -> Int profundidad (H _) = 0 profundidad (N x i d) = 1 + max (profundidad i) (profundidad d) -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 3.2. Comprobar con QuickCheck que para todo árbol biario -- x, se tiene que -- nNodos x <= 2^(profundidad x) - 1 -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_nNodosProfundidad :: Arbol Int -> Bool prop_nNodosProfundidad x = nNodos x <= 2^(profundidad x) - 1 -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_nNodosProfundidad -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 4.1. Definir la función -- preorden :: Arbol a -> [a] -- tal que (preorden x) es la lista correspondiente al recorrido -- preorden del árbol x; es decir, primero visita la raíz del árbol, a -- continuación recorre el subárbol izquierdo y, finalmente, recorre el -- subárbol derecho. Por ejemplo, -- preorden (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == [9,3,2,4,7] -- --------------------------------------------------------------------- preorden :: Arbol a -> [a] preorden (H x) = [x] preorden (N x i d) = x : (preorden i ++ preorden d) -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 4.2. Comprobar con QuickCheck que la longitud de la lista -- obtenida recorriendo un árbol en sentido preorden es igual al número -- de nodos del árbol más el número de hojas. -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_length_preorden :: Arbol Int -> Bool prop_length_preorden x = length (preorden x) == nNodos x + nHojas x -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_length_preorden -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 5. Definir la función -- postorden :: Arbol a -> [a] -- tal que (postorden x) es la lista correspondiente al recorrido -- postorden del árbol x; es decir, primero recorre el subárbol -- izquierdo, a continuación el subárbol derecho y, finalmente, la raíz -- del árbol. Por ejemplo, -- postorden (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == [2,4,3,7,9] -- --------------------------------------------------------------------- postorden :: Arbol a -> [a] postorden (H x) = [x] postorden (N x i d) = postorden i ++ postorden d ++ [x] -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 6.1. Definir, usando un acumulador, la función -- preordenIt :: Arbol a -> [a] -- tal que (preordenIt x) es la lista correspondiente al recorrido -- preorden del árbol x; es decir, primero visita la raíz del árbol, a -- continuación recorre el subárbol izquierdo y, finalmente, recorre el -- subárbol derecho. Por ejemplo, -- preordenIt (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == [9,3,2,4,7] -- -- Nota: No usar (++) en la definición -- --------------------------------------------------------------------- preordenIt :: Arbol a -> [a] preordenIt x = preordenItAux x [] where preordenItAux (H x) xs = x:xs preordenItAux (N x i d) xs = x : preordenItAux i (preordenItAux d xs) -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 6.2. Comprobar con QuickCheck que preordenIt es equivalente -- a preorden. -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_preordenIt :: Arbol Int -> Bool prop_preordenIt x = preordenIt x == preorden x -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_preordenIt -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 7.1. Definir la función -- espejo :: Arbol a -> Arbol a -- tal que (espejo x) es la imagen especular del árbol x. Por ejemplo, -- espejo (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (H 7) (N 3 (H 4) (H 2)) -- --------------------------------------------------------------------- espejo :: Arbol a -> Arbol a espejo (H x) = H x espejo (N x i d) = N x (espejo d) (espejo i) -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 7.2. Comprobar con QuickCheck que para todo árbol x, -- espejo (espejo x) = x -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_espejo :: Arbol Int -> Bool prop_espejo x = espejo (espejo x) == x -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_espejo -- +++ OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 7.3. Comprobar con QuickCheck que para todo árbol binario -- x, se tiene que -- reverse (preorden (espejo x)) = postorden x -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_reverse_preorden_espejo :: Arbol Int -> Bool prop_reverse_preorden_espejo x = reverse (preorden (espejo x)) == postorden x -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_reverse_preorden_espejo -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 7.4. Comprobar con QuickCheck que para todo árbol x, -- postorden (espejo x) = reverse (preorden x) -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_recorrido :: Arbol Int -> Bool prop_recorrido x = postorden (espejo x) == reverse (preorden x) -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_recorrido -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 8.1. La función take está definida por -- take :: Int -> [a] -> [a] -- take 0 = [] -- take (n+1) [] = [] -- take (n+1) (x:xs) = x : take n xs -- -- Definir la función -- takeArbol :: Int -> Arbol a -> Arbol a -- tal que (takeArbol n t) es el subárbol de t de profundidad n. Por -- ejemplo, -- takeArbol 0 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == H 9 -- takeArbol 1 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (H 3) (H 7) -- takeArbol 2 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7) -- takeArbol 3 (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) == N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7) -- --------------------------------------------------------------------- takeArbol :: Int -> Arbol a -> Arbol a takeArbol _ (H x) = H x takeArbol 0 (N x i d) = H x takeArbol n (N x i d) = N x (takeArbol (n-1) i) (takeArbol (n-1) d) -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 8.2. Comprobar con QuickCheck que la profundidad de -- (takeArbol n x) es menor o igual que n, para todo número natural n y -- todo árbol x. -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_takeArbol:: Int -> Arbol Int -> Property prop_takeArbol n x = n >= 0 ==> profundidad (takeArbol n x) <= n -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_takeArbol -- +++ OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 9. La función -- repeat :: a -> [a] -- está definida de forma que (repeat x) es la lista formada por -- infinitos elementos x. Por ejemplo, -- repeat 3 == [3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,... -- La definición de repeat es -- repeat x = xs where xs = x:xs -- -- Definir la función -- repeatArbol :: a -> Arbol a -- tal que (repeatArbol x) es es árbol con infinitos nodos x. Por -- ejemplo, -- takeArbol 0 (repeatArbol 3) == H 3 -- takeArbol 1 (repeatArbol 3) == N 3 (H 3) (H 3) -- takeArbol 2 (repeatArbol 3) == N 3 (N 3 (H 3) (H 3)) (N 3 (H 3) (H 3)) -- --------------------------------------------------------------------- repeatArbol :: a -> Arbol a repeatArbol x = N x t t where t = repeatArbol x -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 10.1. La función -- replicate :: Int -> a -> [a] -- está definida por -- replicate n = take n . repeat -- es tal que (replicate n x) es la lista de longitud n cuyos elementos -- son x. Por ejemplo, -- replicate 3 5 == [5,5,5] -- -- Definir la función -- replicateArbol :: Int -> a -> Arbol a -- tal que (replicate n x) es el árbol de profundidad n cuyos nodos son -- x. Por ejemplo, -- replicateArbol 0 5 == H 5 -- replicateArbol 1 5 == N 5 (H 5) (H 5) -- replicateArbol 2 5 == N 5 (N 5 (H 5) (H 5)) (N 5 (H 5) (H 5)) -- --------------------------------------------------------------------- replicateArbol :: Int -> a -> Arbol a replicateArbol n = takeArbol n . repeatArbol -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 10.2. Comprobar con QuickCheck que el número de hojas de -- (replicateArbol n x) es 2^n, para todo número natural n -- -- Nota. Al hacer la comprobación limitar el tamaño de las pruebas como -- se indica a continuación -- quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_replicateArbol -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_replicateArbol :: Int -> Int -> Property prop_replicateArbol n x = n >= 0 ==> nHojas (replicateArbol n x) == 2^n -- La comprobación es -- ghci> quickCheckWith (stdArgs {maxSize=7}) prop_replicateArbol -- +++ OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 11.1. Definir la función -- mapArbol :: (a -> a) -> Arbol a -> Arbol a -- tal que (mapArbol f x) es el árbol obtenido aplicándole a cada nodo de -- x la función f. Por ejemplo, -- ghci> mapArbol (*2) (N 9 (N 3 (H 2) (H 4)) (H 7)) -- N 18 (N 6 (H 4) (H 8)) (H 14) -- --------------------------------------------------------------------- mapArbol :: (a -> a) -> Arbol a -> Arbol a mapArbol f (H x) = H (f x) mapArbol f (N x i d) = N (f x) (mapArbol f i) (mapArbol f d) -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 11.2. Comprobar con QuickCheck que -- (mapArbol (1+)) . espejo = espejo . (mapArbol (1+)) -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_mapArbol_espejo :: Arbol Int -> Bool prop_mapArbol_espejo x = ((mapArbol (1+)) . espejo) x == (espejo . (mapArbol (1+))) x -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_mapArbol_espejo -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Ejercicio 11.3. Comprobar con QuickCheck que -- (map (1+)) . preorden = preorden . (mapArbol (1+)) -- --------------------------------------------------------------------- -- La propiedad es prop_map_preorden :: Arbol Int -> Bool prop_map_preorden x = ((map (1+)) . preorden) x == (preorden . (mapArbol (1+))) x -- La comprobación es -- ghci> quickCheck prop_map_preorden -- OK, passed 100 tests. -- --------------------------------------------------------------------- -- Nota. Para comprobar propiedades de árboles con QuickCheck se -- utilizará el siguiente generador. -- --------------------------------------------------------------------- instance Arbitrary a => Arbitrary (Arbol a) where arbitrary = sized arbol where arbol 0 = liftM H arbitrary arbol n | n>0 = oneof [liftM H arbitrary, liftM3 N arbitrary subarbol subarbol] where subarbol = arbol (div n 2) |