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Rompecabeza del triominó mediante divide y vencerás

Búsqueda en espacios de estados

Un poliominó es una figura geométrica plana formada conectando dos o más cuadrados por alguno de sus lados. Los cuadrados se conectan lado con lado, pero no se pueden conectar ni por sus vértices, ni juntando solo parte de un lado de un cuadrado con parte de un lado de otro. Si unimos dos cuadrados se obtiene un dominó, si se juntan tres cuadrados se construye un triominó.

Sólo existen dos triominós, el I-triomino (por tener forma de I) y el L-triominó (por su forma de L) como se observa en las siguientes figuras

   X
   X     X
   X     XX

El rompecabeza del triominó consiste en cubrir un tablero cuadrado con 2^n filas y 2^n columnas, en el que se ha eliminado una casilla, con L-triominós de formas que cubran todas las casillas excepto la eliminada y los triominós no se solapen.

La casilla eliminada se representará con -1 y los L-triominós sucesiones de tres números consecutivos en forma de L. Con esta representación una solución del rompecabeza del triominó con 4 filas y la fila eliminada en la posición (4,4) es

   (  3  3  2  2 )
   (  3  1  1  2 )
   (  4  1  5  5 )
   (  4  4  5 -1 )

Definir la función

   triomino :: Int -> Posicion -> Tablero

tal que (triomino n p) es la solución, mediante divide y vencerás, del rompecabeza del triominó en un cuadrado nxn en el que se ha eliminado la casilla de la posición p. Por ejemplo,

   λ> triomino 4 (4,4)
   (  3  3  2  2 )
   (  3  1  1  2 )
   (  4  1  5  5 )
   (  4  4  5 -1 )

   λ> triomino 4 (2,3)
   (  3  3  2  2 )
   (  3  1 -1  2 )
   (  4  1  1  5 )
   (  4  4  5  5 )

   λ> triomino 16 (5,6)
   (  7  7  6  6  6  6  5  5  6  6  5  5  5  5  4  4 )
   (  7  5  5  6  6  4  4  5  6  4  4  5  5  3  3  4 )
   (  8  5  9  9  7  7  4  8  7  4  8  8  6  6  3  7 )
   (  8  8  9  3  3  7  8  8  7  7  8  2  2  6  7  7 )
   (  8  8  7  3  9 -1  8  8  7  7  6  6  2  8  7  7 )
   (  8  6  7  7  9  9  7  8  7  5  5  6  8  8  6  7 )
   (  9  6  6 10 10  7  7 11  8  8  5  9  9  6  6 10 )
   (  9  9 10 10 10 10 11 11  1  8  9  9  9  9 10 10 )
   (  8  8  7  7  7  7  6  1  1  9  8  8  8  8  7  7 )
   (  8  6  6  7  7  5  6  6  9  9  7  8  8  6  6  7 )
   (  9  6 10 10  8  5  5  9 10  7  7 11  9  9  6 10 )
   (  9  9 10  4  8  8  9  9 10 10 11 11  5  9 10 10 )
   (  9  9  8  4  4 10  9  9 10 10  9  5  5 11 10 10 )
   (  9  7  8  8 10 10  8  9 10  8  9  9 11 11  9 10 )
   ( 10  7  7 11 11  8  8 12 11  8  8 12 12  9  9 13 )
   ( 10 10 11 11 11 11 12 12 11 11 12 12 12 12 13 13 )

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Algoritmo divide y vencerás

Búsqueda en espacios de estados

La técnica divide y vencerás consta de los siguientes pasos:

  • Dividir el problema en subproblemas menores.
  • Resolver por separado cada uno de los subproblemas:
  • si los subproblemas son complejos, usar la misma técnica recursivamente;
  • si son simples, resolverlos directamente.
  • Combinar todas las soluciones de los subproblemas en una solución simple.

Definir la función

   divideVenceras :: (p -> Bool)
                  -> (p -> s)
                  -> (p -> [p])
                  -> (p -> [s] -> s)
                  -> p
                  -> s

tal que divideVenceras ind resuelve divide combina pbInicial resuelve el problema pbInicial mediante la técnica de divide y vencerás, donde

  • ind pb se verifica si el problema pb es indivisible
  • resuelve pb es la solución del problema indivisible pb
  • divide pb es la lista de subproblemas de pb
  • combina pb ss es la combinación de las soluciones ss de los subproblemas del problema pb.
  • pbInicial es el problema inicial

Usando la función DivideVenceras, definir las funciones

   ordenaPorMezcla :: Ord a => [a] -> [a]
   ordenaRapida    :: Ord a => [a] -> [a]

tales que

  • ordenaPorMezcla xs es la lista obtenida ordenando xs por el procedimiento de ordenación por mezcla. Por ejemplo,
     λ> ordenaPorMezcla [3,1,4,1,5,9,2,8]
     [1,1,2,3,4,5,8,9]
  • ordenaRapida xs es la lista obtenida ordenando xs por el procedimiento de ordenación rápida. Por ejemplo,
     λ> ordenaRapida [3,1,4,1,5,9,2,8]
     [1,1,2,3,4,5,8,9]

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TAD de los grafos - Algoritmo de Prim

El tipo abstracto de datos de los grafos

El algoritmo de Prim calcula un árbol recubridor mínimo en un grafo conexo y ponderado. Es decir, busca un subconjunto de aristas que, formando un árbol, incluyen todos los vértices y donde el valor de la suma de todas las aristas del árbol es el mínimo.

El algoritmo de Prim funciona de la siguiente manera:

  • Inicializar un árbol con un único vértice, elegido arbitrariamente, del grafo.
  • Aumentar el árbol por un lado. Llamamos lado a la unión entre dos vértices: de las posibles uniones que pueden conectar el árbol a los vértices que no están aún en el árbol, encontrar el lado de menor distancia y unirlo al árbol.
  • Repetir el paso 2 (hasta que todos los vértices pertenezcan al árbol)

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   prim :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

tal que prim g es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo, si g1, g2, g3 y g4 son los grafos definidos por

   g1, g2, g3, g4 :: Grafo Int Int
   g1 = creaGrafo ND (1,5) [(1,2,12),(1,3,34),(1,5,78),
                            (2,4,55),(2,5,32),
                            (3,4,61),(3,5,44),
                            (4,5,93)]
   g2 = creaGrafo ND (1,5) [(1,2,13),(1,3,11),(1,5,78),
                            (2,4,12),(2,5,32),
                            (3,4,14),(3,5,44),
                            (4,5,93)]
   g3 = creaGrafo ND (1,7) [(1,2,5),(1,3,9),(1,5,15),(1,6,6),
                            (2,3,7),
                            (3,4,8),(3,5,7),
                            (4,5,5),
                            (5,6,3),(5,7,9),
                            (6,7,11)]
   g4 = creaGrafo ND (1,7) [(1,2,5),(1,3,9),(1,5,15),(1,6,6),
                            (2,3,7),
                            (3,4,8),(3,5,1),
                            (4,5,5),
                            (5,6,3),(5,7,9),
                            (6,7,11)]

entonces

   prim g1  == [(55,2,4),(34,1,3),(32,2,5),(12,1,2)]
   prim g2  == [(32,2,5),(12,2,4),(13,1,2),(11,1,3)]
   prim g3  == [(9,5,7),(7,2,3),(5,5,4),(3,6,5),(6,1,6),(5,1,2)]

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TAD de los grafos - Algoritmo de Kruskal

El tipo abstracto de datos de los grafos

El algoritmo de Kruskal calcula un árbol recubridor mínimo en un grafo conexo y ponderado. Es decir, busca un subconjunto de aristas que, formando un árbol, incluyen todos los vértices y donde el valor de la suma de todas las aristas del árbol es el mínimo.

El algoritmo de Kruskal funciona de la siguiente manera:

  • se crea un bosque B (un conjunto de árboles), donde cada vértice del grafo es un árbol separado
  • se crea un conjunto C que contenga a todas las aristas del grafo
  • mientras C es no vacío,
  • eliminar una arista de peso mínimo de C
  • si esa arista conecta dos árboles diferentes se añade al bosque, combinando los dos árboles en un solo árbol
  • en caso contrario, se desecha la arista

Al acabar el algoritmo, el bosque tiene un solo componente, el cual forma un árbol de expansión mínimo del grafo.

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]

tal que kruskal g es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado mediante el algoritmo de Kruskal. Por ejemplo, si g1, g2, g3 y g4 son los grafos definidos por

   g1, g2, g3, g4 :: Grafo Int Int
   g1 = creaGrafo ND (1,5) [(1,2,12),(1,3,34),(1,5,78),
                            (2,4,55),(2,5,32),
                            (3,4,61),(3,5,44),
                            (4,5,93)]
   g2 = creaGrafo ND (1,5) [(1,2,13),(1,3,11),(1,5,78),
                            (2,4,12),(2,5,32),
                            (3,4,14),(3,5,44),
                            (4,5,93)]
   g3 = creaGrafo ND (1,7) [(1,2,5),(1,3,9),(1,5,15),(1,6,6),
                            (2,3,7),
                            (3,4,8),(3,5,7),
                            (4,5,5),
                            (5,6,3),(5,7,9),
                            (6,7,11)]
   g4 = creaGrafo ND (1,7) [(1,2,5),(1,3,9),(1,5,15),(1,6,6),
                            (2,3,7),
                            (3,4,8),(3,5,1),
                            (4,5,5),
                            (5,6,3),(5,7,9),
                            (6,7,11)]

entonces

   kruskal g1  ==  [(55,2,4),(34,1,3),(32,2,5),(12,1,2)]
   kruskal g2  ==  [(32,2,5),(13,1,2),(12,2,4),(11,1,3)]
   kruskal g3  ==  [(9,5,7),(7,2,3),(6,1,6),(5,4,5),(5,1,2),(3,5,6)]
   kruskal g4  ==  [(9,5,7),(6,1,6),(5,4,5),(5,1,2),(3,5,6),(1,3,5)]

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TAD de los grafos - Nodos conectados en un grafo

El tipo abstracto de datos de los grafos

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   conectados :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> Bool

tal que conectados g v1 v2 se verifica si los vértices v1 y v2 están conectados en el grafo g. Por ejemplo, si grafo1 es el grafo definido por

   grafo1 :: Grafo Int Int
   grafo1 = creaGrafo' D (1,6) [(1,3),(1,5),(3,5),(5,1),(5,50),
                                (2,4),(2,6),(4,6),(4,4),(6,4)]

entonces,

   conectados grafo1 1 3  ==  True
   conectados grafo1 1 4  ==  False
   conectados grafo1 6 2  ==  False
   conectados grafo1 3 1  ==  True

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TAD de los grafos - Nodos aislados de un grafo

El tipo abstracto de datos de los grafos

Dado un grafo dirigido G, diremos que un nodo está aislado si o bien de dicho nodo no sale ninguna arista o bien no llega al nodo ninguna arista. Por ejemplo, en el siguiente grafo

   grafo1 :: Grafo Int Int
   grafo1 = creaGrafo' D (1,6) [(1,2),(1,3),(1,4),(3,6),
                                (5,4),(6,2),(6,5)]

podemos ver que del nodo 1 salen 3 aristas pero no llega ninguna, por lo que lo consideramos aislado. Así mismo, a los nodos 2 y 4 llegan aristas pero no sale ninguna, por tanto también estarán aislados.

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   aislados :: (Ix v, Num p) => Grafo v p -> [v]

tal que aislados g es la lista de nodos aislados del grafo g. Por ejemplo,

   aislados grafo1 == [1,2,4]

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TAD de los grafos - Coloreado correcto de un mapa

El tipo abstracto de datos de los grafos

Un mapa se puede representar mediante un grafo donde los vértices son las regiones del mapa y hay una arista entre dos vértices si las correspondientes regiones son vecinas. Por ejemplo, el mapa siguiente

   +----------+----------+
   |    1     |     2    |
   +----+-----+-----+----+
   |    |           |    |
   | 3  |     4     | 5  |
   |    |           |    |
   +----+-----+-----+----+
   |    6     |     7    |
   +----------+----------+

se pueden representar por

   mapa :: Grafo Int Int
   mapa = creaGrafo' ND (1,7)
                     [(1,2),(1,3),(1,4),(2,4),(2,5),(3,4),
                      (3,6),(4,5),(4,6),(4,7),(5,7),(6,7)]

Para colorear el mapa se dispone de 4 colores definidos por

   data Color = A | B | C | D
     deriving (Eq, Show)

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   correcta :: [(Int,Color)] -> Grafo Int Int -> Bool

tal que correcta ncs m se verifica si ncs es una coloración del mapa m tal que todos las regiones vecinas tienen colores distintos. Por ejemplo,

   correcta [(1,A),(2,B),(3,B),(4,C),(5,A),(6,A),(7,B)] mapa == True
   correcta [(1,A),(2,B),(3,A),(4,C),(5,A),(6,A),(7,B)] mapa == False

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TAD de los grafos - Grafos conexos

El tipo abstracto de datos de los grafos

Un grafo no dirigido G se dice conexo, si para cualquier par de vértices u y v en G, existe al menos una trayectoria (una sucesión de vértices adyacentes) de u a v.

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   conexo :: (Ix a, Num p, Eq p) => Grafo a p -> Bool

tal que conexo g se verifica si el grafo g es conexo. Por ejemplo,

   conexo (creaGrafo' ND (1,3) [(1,2),(3,2)])        ==  True
   conexo (creaGrafo' ND (1,4) [(1,2),(3,2),(4,1)])  ==  True
   conexo (creaGrafo' ND (1,4) [(1,2),(3,4)])        ==  False

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TAD de los grafos - Recorrido en anchura

El tipo abstracto de datos de los grafos

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   recorridoEnAnchura :: (Num p, Eq p, Ix v) => v -> Grafo v p -> [v]

tal que recorridoEnAnchura i g es el recorrido en anchura del grafo g desde el vértice i. Por ejemplo, en el grafo

   +---> 2 <---+
   |           |
   |           |
   1 --> 3 --> 6 --> 5
   |                 |
   |                 |
   +---> 4 <---------+

definido por

   grafo1 :: Grafo Int Int
   grafo1 = creaGrafo' D (1,6) [(1,2),(1,3),(1,4),(3,6),(5,4),(6,2),(6,5)]

entonces

   recorridoEnAnchura 1 grafo1  ==  [1,2,3,4,6,5]

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TAD de los grafos - Recorrido en profundidad

El tipo abstracto de datos de los grafos

Usando el tipo abstrado de datos de los grafos, definir la función

   recorridoEnProfundidad :: (Num p, Eq p, Ix v) => v -> Grafo v p -> [v]

tal que recorridoEnProfundidad i g es el recorrido en profundidad del grafo g desde el vértice i. Por ejemplo, en el grafo

   +---> 2 <---+
   |           |
   |           |
   1 --> 3 --> 6 --> 5
   |                 |
   |                 |
   +---> 4 <---------+

definido por

   grafo1 :: Grafo Int Int
   grafo1 = creaGrafo' D (1,6) [(1,2),(1,3),(1,4),(3,6),(5,4),(6,2),(6,5)]

entonces

   recorridoEnProfundidad 1 grafo1  ==  [1,2,3,6,5,4]

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