Cálculo de dígitos de pi y su distribución

José A. Alonso

08-04-2020

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]

Soluciones

import Data.Array
import Data.List (group, sort)

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)

-- 1ª definición
-- =============

distribucionDigitosPi :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi n =
  elems (accumArray (+) 0 (0,9) [ (i,1)
                                | i <- take n digitosPi])

frecuenciaDigitosPi :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi n]
  where m = fromIntegral n

-- 2ª definición
-- =============

distribucionDigitosPi2 :: Int -> [Int]
distribucionDigitosPi2 n =
  [length xs - 1 | xs <- group (sort (take n digitosPi ++ [0..9]))]

frecuenciaDigitosPi2 :: Int -> [Double]
frecuenciaDigitosPi2 n =
  [100 * (fromIntegral x / m) | x <- distribucionDigitosPi2 n]
  where m = fromIntegral n

-- Comparación de eficiencia
-- =========================

--    λ> last (take 5000 digitosPi)
--    2
--    (4.47 secs, 3,927,848,448 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.01 secs, 0 bytes)
--    λ> frecuenciaDigitosPi2 5000
--    [9.32,10.62,9.92,9.2,10.16,10.5,10.26,9.76,9.84,10.42]
--    (0.02 secs, 0 bytes)