Número de triangulaciones de un polígono

José A. Alonso

29-05-2019

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

Soluciones

import Data.Array

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)