En el artículo El desarrollo más bello de Pi como suma infinita, Miguel Ángel Morales comenta el desarrollo de pi publicado por Leonhard Euler en su libro "Introductio in Analysis Infinitorum" (1748).

El desarrollo es el siguiente y se obtiene a partir de la serie armónica modificando sólo el signo de algunos términos según el siguiente criterio:

• Dejamos un + cuando el denominador de la fracción sea un 2 o un primo de la forma 4m-1.
• Cambiamos a - si el denominador de la fracción es un primo de la forma 4m+1.
• Si el número es compuesto ponemos el signo que quede al multiplicar los signos correspondientes a cada factor.

Por ejemplo,

• la de denominador 3 = 4x1-1 lleva un +,
• la de denominador 5 = 4x1+1 lleva un -,
• la de denominador 13 = 4x3+1 lleva un -,
• la de denominador 6 = 2x3 lleva un + (porque los dos llevan un +),
• la de denominador 10 = 2x5 lleva un - (porque el 2 lleva un + y el 5 lleva un -) y
• la de denominador 50 = 5x5x2 lleva un + (un - por el primer 5, otro - por el segundo 5 y un + por el 2).

Definir las funciones

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

tales que

• (aproximacionPi n) es la aproximación de pi obtenida sumando los n primeros términos de la serie de Euler. Por ejemplo.

aproximacionPi 1        ==  1.0
aproximacionPi 10       ==  2.3289682539682537
aproximacionPi 100      ==  2.934318000847734
aproximacionPi 1000     ==  3.0603246224585128
aproximacionPi 10000    ==  3.1105295744825403
aproximacionPi 100000   ==  3.134308801935256
aproximacionPi 1000000  ==  3.1395057903490806

• (grafica n) dibuja la gráfica de las aproximaciones de pi usando k sumando donde k toma los valores de la lista [100,110..n]. Por ejemplo, al evaluar (grafica 4000) se obtiene

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Se pueden generar los dígitos de Pi, como se explica en el artículo Unbounded spigot algorithms for the digits of pi c0on la función digitosPi definida por

digitosPi :: [Integer]
digitosPi = g(1,0,1,1,3,3) where
g (q,r,t,k,n,l) =
if 4*q+r-t < n*t
then n : g (10*q, 10*(r-n*t), t, k, div (10*(3*q+r)) t - 10*n, l)
else g (q*k, (2*q+r)*l, t*l, k+1, div (q*(7*k+2)+r*l) (t*l), l+2)

Por ejemplo,

λ> take 25 digitosPi
[3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3,8,4,6,2,6,4,3]

La distribución de los primeros 25 dígitos de pi es [0,2,3,5,3,3,3,1,2,3] ya que el 0 no aparece, el 1 ocurre 2 veces, el 3 ocurre 3 veces, el 4 ocurre 5 veces, ...

Usando digitosPi, definir las siguientes funciones

distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
frecuenciaDigitosPi   :: Int -> [Double]

tales que

• (distribucionDigitosPi n) es la distribución de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

λ> distribucionDigitosPi 10
[0,2,1,2,1,2,1,0,0,1]
λ> distribucionDigitosPi 100
[8,8,12,12,10,8,9,8,12,13]
λ> distribucionDigitosPi 1000
[93,116,103,103,93,97,94,95,101,105]
λ> distribucionDigitosPi 5000
[466,531,496,460,508,525,513,488,492,521]

• (frecuenciaDigitosPi n) es la frecuencia de los n primeros dígitos de pi. Por ejemplo,

λ> frecuenciaDigitosPi 10
[0.0,20.0,10.0,20.0,10.0,20.0,10.0,0.0,0.0,10.0]
λ> frecuenciaDigitosPi 100
[8.0,8.0,12.0,12.0,10.0,8.0,9.0,8.0,12.0,13.0]
λ> frecuenciaDigitosPi 1000
[9.3,11.6,10.3,10.3,9.3,9.7,9.4,9.5,10.1,10.5]
λ> frecuenciaDigitosPi 5000
[9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]

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La fórmula de Gregory-Leibniz para calcular pi es

y la de Beeler es

Definir las funciones

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

tales que

• (aproximaPiGL n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Gregory-Leibniz. Por ejemplo,

aproximaPiGL 1       ==  4.0
aproximaPiGL 2       ==  2.666666666666667
aproximaPiGL 3       ==  3.466666666666667
aproximaPiGL 10      ==  3.0418396189294032
aproximaPiGL 100     ==  3.1315929035585537
aproximaPiGL 1000    ==  3.140592653839794
aproximaPiGL 10000   ==  3.1414926535900345
aproximaPiGL 100000  ==  3.1415826535897198

• (aproximaPiBeeler n) es la aproximación de pi con los primeros n términos de la fórmula de Beeler. Por ejemplo,

aproximaPiBeeler 1   ==  2.0
aproximaPiBeeler 2   ==  2.6666666666666665
aproximaPiBeeler 3   ==  2.933333333333333
aproximaPiBeeler 10  ==  3.140578169680337
aproximaPiBeeler 60  ==  3.141592653589793
pi                   ==  3.141592653589793

• (graficas xs) dibuja la gráfica de las k-ésimas aproximaciones de pi, donde k toma los valores de la lista xs, con las fórmulas de Gregory-Leibniz y de Beeler. Por ejemplo, (graficas [1..25]) dibuja donde la línea morada corresponde a la aproximación de Gregory-Leibniz y la verde a la de Beeler.

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El producto de Wallis es una expresión, descubierta por John Wallis en 1655, para representar el valor de π y que establece que:

 π     2     2     4     4     6     6     8     8
--- = --- · --- · --- · --- · --- · --- · --- · --- ···
 2     1     3     3     5     5     7     7     9

Definir las funciones

factoresWallis  :: [Rational]
productosWallis :: [Rational]
aproximacionPi  :: Int -> Double
errorPi         :: Double -> Int

ales que

• factoresWallis es la sucesión de los factores del productos de Wallis. Por ejemplo,

λ> take 10 factoresWallis
[2 % 1,2 % 3,4 % 3,4 % 5,6 % 5,6 % 7,8 % 7,8 % 9,10 % 9,10 % 11]

• productosWallis es la sucesión de los productos de los primeros factores de Wallis. Por ejemplo,

λ> take 7 productosWallis
[2 % 1,4 % 3,16 % 9,64 % 45,128 % 75,256 % 175,2048 % 1225]

• (aproximacionPi n) es la aproximación de pi obtenida multiplicando los n primeros factores de Wallis. Por ejemplo,

aproximacionPi 20     ==  3.2137849402931895
aproximacionPi 200    ==  3.1493784731686008
aproximacionPi 2000   ==  3.142377365093878
aproximacionPi 20000  ==  3.141671186534396

• (errorPi x) es el menor número de factores de Wallis necesarios para obtener pi con un error menor que x. Por ejemplo,

errorPi 0.1     ==  14
errorPi 0.01    ==  155
errorPi 0.001   ==  1569
errorPi 0.0001  ==  15707

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Definir la función

productos :: Integer -> Integer -> [[Integer]]

tal que (productos n x) es las listas de n elementos consecutivos cuyo producto es x. Por ejemplo,

productos 2 6     ==  [[2,3]]
productos 3 6     ==  [[1,2,3]]
productos 4 1680  ==  [[5,6,7,8]]
productos 2 5     ==  []

Comprobar con QuickCheck que si n > 0 y x > 0, entonces

productos n (product [x..x+n-1]) == [[x..x+n-1]]

Usando productos, definir la función

productosDe2y3consecutivos :: [Integer]

cuyos elementos son los números naturales (no nulos) que pueden expresarse simultáneamente como producto de dos y tres números consecutivos. Por ejemplo,

head productosDe2y3consecutivos  ==  6

Nota. Según demostró Mordell en 1962, productosDe2y3consecutivos sólo tiene dos elementos.

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La conjetura de Goldbach afirma que

Todo número entero mayor que 5 se puede escribir como suma de tres números primos.

En este ejercicio consideraremos la variación consistente en exigir que los tres sumandos sean distintos.

Definir las funciones

sumas3PrimosDistintos      :: Int -> [(Int,Int,Int)]
conKsumas3PrimosDistintos  :: Int -> Int -> [Int]
noSonSumas3PrimosDistintos :: Int -> [Int]

tales que

• (sumas3PrimosDistintos n) es la lista de las descomposiciones decrecientes de n como tres primos distintos. Por ejemplo,

sumas3PrimosDistintos 26  ==  [(13,11,2),(17,7,2),(19,5,2)]
sumas3PrimosDistintos 18  ==  [(11,5,2),(13,3,2)]
sumas3PrimosDistintos 10  ==  [(5,3,2)]
sumas3PrimosDistintos 11  ==  []

• (conKsumas3PrimosDistintos k n) es la lista de los números menores o iguales que n que se pueden escribir en k forma distintas como suma de tres primos distintos. Por ejemplo,

conKsumas3PrimosDistintos 3 99  ==  [26,27,29,32,36,42,46,48,54,58,60]
conKsumas3PrimosDistintos 2 99  ==  [18,20,21,22,23,24,25,28,30,34,64,70]
conKsumas3PrimosDistintos 1 99  ==  [10,12,14,15,16,19,40]
conKsumas3PrimosDistintos 0 99  ==  [11,13,17]

• (noSonSumas3PrimosDistintos n) es la lista de los números menores o iguales que n que no se pueden escribir como suma de tres primos distintos. Por ejemplo,

noSonSumas3PrimosDistintos 99   ==  [11,13,17]
noSonSumas3PrimosDistintos 500  ==  [11,13,17]

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Una forma de la conjetura de Golbach afirma que todo entero mayor que 1 se puede escribir como la suma de uno, dos o tres números primos.

Si se define el índice de Goldbach de n > 1 como la mínima cantidad de primos necesarios para que su suma sea n, entonces la conjetura de Goldbach afirma que todos los índices de Goldbach de los enteros mayores que 1 son menores que 4.

Definir las siguientes funciones

indiceGoldbach  :: Int -> Int
graficaGoldbach :: Int -> IO ()

tales que

• (indiceGoldbach n) es el índice de Goldbach de n. Por ejemplo,

indiceGoldbach 2                        ==  1
indiceGoldbach 4                        ==  2
indiceGoldbach 27                       ==  3
sum (map indiceGoldbach [2..5000])      ==  10619
maximum (map indiceGoldbach [2..5000])  ==  3

• (graficaGoldbach n) dibuja la gráfica de los índices de Goldbach de los números entre 2 y n. Por ejemplo, (graficaGoldbach 150) dibuja

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Goldbach anterior.

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Hyman Levy observó que

7 = 3 + 2 x 2
9 = 3 + 2 x 3 =  5 + 2 x 2
11 = 5 + 2 x 3 =  7 + 2 x 2
13 = 3 + 2 x 5 =  7 + 2 x 3
15 = 3 + 2 x 5 = 11 + 2 x 2
17 = 3 + 2 x 7 =  7 + 2 x 5 = 11 + 2 x 3 = 13 + 2 x 2
19 = 5 + 2 x 7 = 13 + 2 x 3

y conjeturó que todos los número impares mayores o iguales que 7 se pueden escribir como la suma de un primo y el doble de un primo. El objetivo de los siguientes ejercicios es comprobar la conjetura de Levy.

Definir las siguientes funciones

descomposicionesLevy :: Integer -> [(Integer,Integer)]
graficaLevy          :: Integer -> IO ()

tales que

• (descomposicionesLevy x) es la lista de pares de primos (p,q) tales que x = p + 2q. Por ejemplo,

descomposicionesLevy  7  ==  [(3,2)]
descomposicionesLevy  9  ==  [(3,3),(5,2)]
descomposicionesLevy 17  ==  [(3,7),(7,5),(11,3),(13,2)]

• (graficaLevy n) dibuja los puntos (x,y) tales que x pertenece a [7,9..7+2x(n-1)] e y es el número de descomposiciones de Levy de x. Por ejemplo, (graficaLevy 200) dibuja

Comprobar con QuickCheck la conjetura de Levy.

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Partiendo de los 5 primeros números primos y calculando el valor absoluto de la diferencia de cada dos números consecutivos hasta quedarse con un único número se obtiene la siguiente tabla:

2, 3, 5, 7, 11
1, 2, 2, 4
1, 0, 2
1, 2
1

Se observa que todas las filas, salvo la inicial, comienzan con el número 1.

Repitiendo el proceso pero empezando con los 8 primeros números primos se obtiene la siguiente tabla:

2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19
1, 2, 2, 4,  2,  4,  2
1, 0, 2, 2,  2,  2
1, 2, 0, 0,  0
1, 2, 0, 0
1, 2, 0
1, 2
1

Se observa que, de nuevo, todas las filas, salvo la inicial, comienza con el número 1.

La conjetura de Gilbreath afirma que si escribimos la sucesión de números primos completa y después construimos las correspondientes sucesiones formadas por el valor absoluto de la resta de cada pareja de números consecutivos, entonces todas esas filas que obtenemos comienzan siempre por 1.

El objetivo de este ejercicio es comprobar experimentalmente dicha conjetura.

Para la representación, usaremos la simétrica de la que hemos comentado anteriormente; es decir,

2
3, 1
5, 2, 1
7, 2, 0, 1
11, 4, 2, 2, 1
13, 2, 2, 0, 2, 1
17, 4, 2, 0, 0, 2, 1
19, 2, 2, 0, 0, 0, 2, 1

en la que la primera columna son los números primos y el elemento de la fila i y columna j (con i, j > 1) es el valor absoluto de la diferencia de los elementos (i,j-1) e (i-1,j-1).

Definir las siguientes funciones

siguiente           :: Integer -> [Integer] -> [Integer]
triangulo           :: [[Integer]]
conjetura_Gilbreath :: Int -> Bool

tales que

• (siguiente x ys) es la línea siguiente de la ys que empieza por x en la tabla de Gilbreath; es decir, si ys es [y1,y2,...,yn], entonces (siguiente x ys) es [x,|y1-x|,|y2-|y1-x||,...]. Por ejemplo,

siguiente  7 [5,2,1]               ==  [7,2,0,1]
siguiente 29 [23,4,2,0,0,0,0,2,1]  ==  [29,6,2,0,0,0,0,0,2,1]

• triangulo es el triángulo de Gilbreath. Por ejemplo,

λ> take 10 triangulo
[[ 2],
[ 3,1],
[ 5,2,1],
[ 7,2,0,1],
[11,4,2,2,1],
[13,2,2,0,2,1],
[17,4,2,0,0,2,1],
[19,2,2,0,0,0,2,1],
[23,4,2,0,0,0,0,2,1],
[29,6,2,0,0,0,0,0,2,1]]

• (conjeturaGilbreath n) se verifica si se cumple la conjetura de Gilbreath para los n primeros números primos; es decir, en el triángulo de Gilbreath cuya primera columna son los n primeros números primos, todas las filas a partir de la segunda terminan en 1. Por ejemplo,

λ> conjeturaGilbreath 1000
True

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En el artículo Integers as a sum of consecutive primes in 2,3,4,.. ways se presentan números que se pueden escribir como sumas de primos consecutivos de varias formas. Por ejemplo, el 41 se puede escribir de dos formas distintas

41 =  2 +  3 +  5 + 7 + 11 + 13
41 = 11 + 13 + 17

el 240 se puede escribir de tres formas

240 =  17 +  19 + 23 + 29 + 31 + 37 + 41 + 43
240 =  53 +  59 + 61 + 67
240 = 113 + 127

y el 311 se puede escribir de 4 formas

311 =  11 +  13 +  17 + 19 + 23 + 29 + 31 + 37 + 41 + 43 + 47
311 =  31 +  37 +  41 + 43 + 47 + 53 + 59
311 =  53 +  59 +  61 + 67 + 71
311 = 101 + 103 + 107

Definir la función

sumas :: Integer -> [[Integer]]

tal que (sumas x) es la lista de las formas de escribir x como suma de dos o más números primos consecutivos. Por ejemplo,

λ> sumas 41
[[2,3,5,7,11,13],[11,13,17]]
λ> sumas 240
[[17,19,23,29,31,37,41,43],[53,59,61,67],[113,127]]
λ> sumas 311
[[11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47],[31,37,41,43,47,53,59],
[53,59,61,67,71],[101,103,107]]
λ> maximum [length (sumas n) | n <- [1..600]]
4

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