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Sucesión fractal

Misceláneas

La sucesión fractal

0, 0, 1, 0, 2, 1, 3, 0, 4, 2, 5, 1, 6, 3, 7, 0, 8, 4, 9, 2,
10, 5, 11, 1, 12, 6, 13, 3, 14, 7, 15, ...

está construida de la siguiente forma:

  • los términos pares forman la sucesión de los números naturales
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, ...
  • los términos impares forman la misma sucesión original
0, 0, 1, 0, 2, 1, 3, 0, 4, 2, 5, 1, 6, 3, 7, ...

Definir las funciones

sucFractal     :: [Integer]
sumaSucFractal :: Integer -> Integer

tales que

  • sucFractal es la lista de los términos de la sucesión fractal. Por ejemplo,
take 20 sucFractal   == [0,0,1,0,2,1,3,0,4,2,5,1,6,3,7,0,8,4,9,2]
sucFractal !! 30     == 15
sucFractal !! (10^7) == 5000000
  • (sumaSucFractal n) es la suma de los n primeros términos de la sucesión fractal. Por ejemplo,
sumaSucFractal 10      == 13
sumaSucFractal (10^5)  == 1666617368
sumaSucFractal (10^10) == 16666666661668691669
sumaSucFractal (10^15) == 166666666666666166673722792954
sumaSucFractal (10^20) == 1666666666666666666616666684103392376198
length (show (sumaSucFractal (10^15000))) == 30000
sumaSucFractal (10^15000) `mod` (10^9)    == 455972157

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Menor número con una cantidad de divisores dada

Misceláneas

El menor número con 2¹ divisores es el 2, ya que tiene 2 divisores (el 1 y el 2) y el anterior al 2 (el 1) sólo tiene 1 divisor (el 1).

El menor número con 2² divisores es el 6, ya que tiene 4 divisores (el 1, 2, 3 y 6) y sus anteriores (el 1, 2, 3, 4 y 5) tienen menos de 4 divisores (tienen 1, 1, 1, 3 y 1, respectivamente).

El menor número con 2³ divisores es el 24, ya que tiene 8 divisores (el 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 y 24) y sus anteriores (del 1 al 23) tienen menos de 8 divisores.

El menor número con 16 divisores es el 120, ya que tiene 16 divisores (el 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 24, 30, 40, 60 y 120) y sus anteriores (del 1 al 119) tienen menos de 16 divisores.

El menor número, módulo 100, con 16 divisores es el 20, ya que el menor número con 16 divisores es el 120 y 120 módulo 100 es 20.

Definir la función

menor :: Integer -> Integer -> Integer

tal que (menor n m) es el menor número, módulo m, con 2^n divisores. Por ejemplo,

menor 4 1000                    ==  120
menor 4 100                     ==  20
[menor n (10^9) | n <- [1..8]]  ==  [2,6,24,120,840,7560,83160,1081080]
menor 500500 500500506          ==  8728302

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Número primo de Sheldon

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En el episodio número 73 de la serie The Big Bang Theory, Sheldon Cooper enuncia lo siguiente:

«El mejor número es el 73. El 73 es el 21-ésimo número primo. Al invertir sus cifras obtenemos 37, que es el primo número 12. Y al invertir este obtenemos 21, que es el producto de ─agarraos fuerte─ 7 y 3.»

Se define un número primo de Sheldon como: el n-ésimo número primo p(n) será un primo de Sheldon si cumple que el producto de sus dígitos es n y si, además, el número que se obtiene al invertir sus cifras, rev(p(n)), es el rev(n)-ésimo número primo; es decir, si rev(p(n)) = p(rev(n)).

Definir la función

esPrimoSheldon :: Int -> Bool

tal que (esPrimoSheldon x) se verifica si x un primo de Sheldon. Por ejemplo,

esPrimoSheldon 73  ==  True
esPrimoSheldon 79  ==  False

Comprobar con QuickCheck que 73 es el único primo de Sheldon.

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Números de Pentanacci

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Los números de Fibonacci se definen mediante las ecuaciones

F(0) = 0
F(1) = 1
F(n) = F(n-1) + F(n-2), si n > 1

Los primeros números de Fibonacci son

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, ...

Una generalización de los anteriores son los números de Pentanacci definidos por las siguientes ecuaciones

P(0) = 0
P(1) = 1
P(2) = 1
P(3) = 2
P(4) = 4
P(n) = P(n-1) + P(n-2) + P(n-3) + P(n-4) + P(n-5), si n > 4

Los primeros números de Pentanacci son

0, 1, 1, 2, 4, 8, 16, 31, 61, 120, 236, 464, 912, 1793, 3525, ...

Definir la sucesión

pentanacci :: [Integer]

cuyos elementos son los números de Pentanacci. Por ejemplo,

λ> take 15 pentanacci
[0,1,1,2,4,8,16,31,61,120,236,464,912,1793,3525]
λ> (pentanacci !! (10^5)) `mod` (10^30)
482929150584077921552549215816
231437922897686901289110700696
λ> length (show (pentanacci !! (10^5)))
29357

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Sucesiones de listas de números

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En la Olimpiada Internacional de Matemáticas del 2012 se propuso el siguiente problema:

Varios enteros positivos se escriben en una lista. Iterativamente, Alicia elige dos números adyacentes x e y tales que x > y y x está a la izquierda de y y reemplaza el par (x,y) por (y+1,x) o (x-1,x). Demostrar que sólo puede aplicar un número finito de dichas iteraciones.

Por ejemplo, las transformadas de la lista [1,3,2] son [1,2,3] y [1,3,3] y las dos obtenidas son finales (es decir, no se les puede aplicar ninguna transformación).

Definir las funciones

soluciones :: [Int] -> [Estado]
finales :: [Int] -> [[Int]]
finalesMaximales :: [Int] -> (Int,[[Int]])

tales que

  • (soluciones xs) es la lista de pares (n,ys) tales que ys es una lista final obtenida aplicándole n transformaciones a xs. Por ejemplo,
λ> soluciones [1,3,2]
[(1,[1,3,3]),(1,[1,2,3])]
λ> sort (nub (soluciones [3,3,2]))
[(1,[3,3,3]),(2,[2,3,3]),(2,[3,3,3])]
λ> sort (nub (soluciones [3,2,1]))
[(2,[2,2,3]),(3,[2,2,3]),(3,[2,3,3]),(3,[3,3,3]),(4,[2,3,3]),(4,[3,3,3])]
  • (finales xs) son las listas obtenidas transformando xs y a las que no se les puede aplicar más transformaciones. Por ejemplo,
finales [1,2,3]               ==  [[1,2,3]]
finales [1,3,2]               ==  [[1,2,3],[1,3,3]]
finales [3,2,1]               ==  [[2,2,3],[2,3,3],[3,3,3]]
finales [1,3,2,4]             ==  [[1,2,3,4],[1,3,3,4]]
finales [1,3,2,3]             ==  [[1,2,3,3],[1,3,3,3]]
length (finales [9,6,0,7,2])  ==  19
length (finales [80,60..0])   ==  420
  • (finalesMaximales xs) es el par (n,yss) tal que la longitud de las cadenas más largas de transformaciones a partir de xs e yss es la lista de los estados finales a partir de xs con n transformaciones. Por ejemplo,
finalesMaximales [9,5,7]   ==  (2,[[6,8,9],[8,8,9]])
finalesMaximales [3,2,1]   ==  (4,[[2,3,3],[3,3,3]])
finalesMaximales [3,2..0]  ==  (10,[[2,3,3,3],[3,3,3,3]])
finalesMaximales [4,3..0]  ==  (20,[[3,4,4,4,4],[4,4,4,4,4]])

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Caminos en un grafo

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Definir las funciones

grafo   :: [(Int,Int)] -> Grafo Int Int
caminos :: Grafo Int Int -> Int -> Int -> [[Int]]

tales que

  • (grafo as) es el grafo no dirigido definido cuyas aristas son as. Por ejemplo,
λ> grafo [(2,4),(4,5)]
G ND (array (2,5) [(2,[(4,0)]),(3,[]),(4,[(2,0),(5,0)]),(5,[(4,0)])])
  • (caminos g a b) es la lista los caminos en el grafo g desde a hasta b sin pasar dos veces por el mismo nodo. Por ejemplo,
λ> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 7)
[[1,3,5,7],[1,3,7]]
λ> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 2 7)
[[2,5,3,7],[2,5,7]]
λ> sort (caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 2)
[[1,3,5,2],[1,3,7,5,2]]
λ> caminos (grafo [(1,3),(2,5),(3,5),(3,7),(5,7)]) 1 4
[]
λ> length (caminos (grafo [(i,j) | i <- [1..10], j <- [i..10]]) 1 10)
109601

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Número de triangulaciones de un polígono

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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)

Definir la función

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

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Espacio de estados del problema de las N reinas

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El problema de las N reinas consiste en colocar N reinas en tablero rectangular de dimensiones N por N de forma que no se encuentren más de una en la misma línea: horizontal, vertical o diagonal. Por ejemplo, una solución para el problema de las 4 reinas es

|---|---|---|---|
|   | R |   |   |
|---|---|---|---|
|   |   |   | R |
|---|---|---|---|
| R |   |   |   |
|---|---|---|---|
|   |   | R |   |
|---|---|---|---|

Los estados del problema de las N reinas son los tableros con las reinas colocadas. Inicialmente el tablero está vacío y, en cda paso se coloca una reina en la primera columna en la que aún no hay ninguna reina.

Cada estado se representa por una lista de números que indican las filas donde se han colocado las reinas. Por ejemplo, el tablero anterior se representa por [2,4,1,3].

Usando la librería de árboles Data.Tree, definir las funciones

arbolReinas :: Int -> Tree [Int]
nEstados    :: Int -> Int
soluciones  :: Int -> [[Int]]
nSoluciones :: Int -> Int

tales que

  • (arbolReinas n) es el árbol de estados para el problema de las n reinas. Por ejemplo,
λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 4)))
[]
|
+- [1]
|  |
|  +- [3,1]
|  |
|  `- [4,1]
|     |
|     `- [2,4,1]
|
+- [2]
|  |
|  `- [4,2]
|     |
|     `- [1,4,2]
|        |
|        `- [3,1,4,2]
|
+- [3]
|  |
|  `- [1,3]
|     |
|     `- [4,1,3]
|        |
|        `- [2,4,1,3]
|
`- [4]
   |
   +- [1,4]
   |  |
   |  `- [3,1,4]
   |
   `- [2,4]

λ> putStrLn (drawTree (fmap show (arbolReinas 5)))
[]
|
+- [1]
|  |
|  +- [3,1]
|  |  |
|  |  `- [5,3,1]
|  |     |
|  |     `- [2,5,3,1]
|  |        |
|  |        `- [4,2,5,3,1]
|  |
|  +- [4,1]
|  |  |
|  |  `- [2,4,1]
|  |     |
|  |     `- [5,2,4,1]
|  |        |
|  |        `- [3,5,2,4,1]
|  |
|  `- [5,1]
|     |
|     `- [2,5,1]
|
+- [2]
|  |
|  +- [4,2]
|  |  |
|  |  `- [1,4,2]
|  |     |
|  |     `- [3,1,4,2]
|  |        |
|  |        `- [5,3,1,4,2]
|  |
|  `- [5,2]
|     |
|     +- [1,5,2]
|     |  |
|     |  `- [4,1,5,2]
|     |
|     `- [3,5,2]
|        |
|        `- [1,3,5,2]
|           |
|           `- [4,1,3,5,2]
|
+- [3]
|  |
|  +- [1,3]
|  |  |
|  |  `- [4,1,3]
|  |     |
|  |     `- [2,4,1,3]
|  |        |
|  |        `- [5,2,4,1,3]
|  |
|  `- [5,3]
|     |
|     `- [2,5,3]
|        |
|        `- [4,2,5,3]
|           |
|           `- [1,4,2,5,3]
|
+- [4]
|  |
|  +- [1,4]
|  |  |
|  |  +- [3,1,4]
|  |  |  |
|  |  |  `- [5,3,1,4]
|  |  |     |
|  |  |     `- [2,5,3,1,4]
|  |  |
|  |  `- [5,1,4]
|  |     |
|  |     `- [2,5,1,4]
|  |
|  `- [2,4]
|     |
|     `- [5,2,4]
|        |
|        `- [3,5,2,4]
|           |
|           `- [1,3,5,2,4]
|
`- [5]
   |
   +- [1,5]
   |  |
   |  `- [4,1,5]
   |
   +- [2,5]
   |  |
   |  `- [4,2,5]
   |     |
   |     `- [1,4,2,5]
   |        |
   |        `- [3,1,4,2,5]
   |
   `- [3,5]
      |
      `- [1,3,5]
         |
         `- [4,1,3,5]
            |
            `- [2,4,1,3,5]
  • (nEstados n) es el número de estados en el problema de las n reinas. Por ejemplo,
nEstados 4            ==  17
nEstados 5            ==  54
map nEstados [0..10]  ==  [1,2,3,6,17,54,153,552,2057,8394,35539]
  • (soluciones n) es la lista de estados que son soluciones del problema de las n reinas. Por ejemplo,
λ> soluciones 4
[[3,1,4,2],[2,4,1,3]]
λ> soluciones 5
[[4,2,5,3,1],[3,5,2,4,1],[5,3,1,4,2],[4,1,3,5,2],[5,2,4,1,3],
 [1,4,2,5,3],[2,5,3,1,4],[1,3,5,2,4],[3,1,4,2,5],[2,4,1,3,5]]
  • (nSoluciones n) es el número de soluciones del problema de las n reinas. Por ejemplo,
nSoluciones 4            ==  2
nSoluciones 5            ==  10
map nSoluciones [0..10]  ==  [1,1,0,0,2,10,4,40,92,352,724]

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El problema de las N torres

Misceláneas

El problema de las N torres consiste en colocar N torres en un tablero con N filas y N columnas de forma que no haya dos torres en la misma fila ni en la misma columna.

Cada solución del problema de puede representar mediante una matriz con ceros y unos donde los unos representan las posiciones ocupadas por las torres y los ceros las posiciones libres. Por ejemplo,

( 0 1 0 )
( 1 0 0 )
( 0 0 1 )

representa una solución del problema de las 3 torres.

Definir las funciones

torres  :: Int -> [Matrix Int]
nTorres :: Int -> Integer

tales que

  • (torres n) es la lista de las soluciones del problema de las n torres. Por ejemplo,
λ> torres 3
[( 1 0 0 )
 ( 0 1 0 )
 ( 0 0 1 )
 ,( 1 0 0 )
 ( 0 0 1 )
 ( 0 1 0 )
 ,( 0 1 0 )
 ( 1 0 0 )
 ( 0 0 1 )
 ,( 0 1 0 )
 ( 0 0 1 )
 ( 1 0 0 )
 ,( 0 0 1 )
 ( 1 0 0 )
 ( 0 1 0 )
 ,( 0 0 1 )
 ( 0 1 0 )
 ( 1 0 0 )
]

donde se ha indicado con 1 las posiciones ocupadas por las torres.

  • (nTorres n) es el número de soluciones del problema de las n torres. Por ejemplo,
λ> nTorres 3
6
λ> length (show (nTorres (10^4)))
35660

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