PHP

Vuelvo a la carga con los algoritmos de programación. Hoy traigo a modo de code-kata el algoritmo de ordenamiento Quicksort. En este algoritmo se utiliza la estrategia de programación divide y vencerás. Aplicándola, vamos dividiendo un vector inicial no ordenado, en subvectores que vamos a dividir una y otra vez recursivamente, hasta tener todos los elementos ordenados.

Antes de dividir un vector en dos subvectores se aplica una técnica de pivotaje. Con este pivotaje de los elementos, obtendremos el vector dividido en 2 partes, más un elemento central llamado pivote. Este elemento pivote hará que en la parte izquierda del vector todos los elementos sean menores que el pivote. Y a su vez, en la parte derecha, todos los elementos serán mayores que el pivote.

Una de las mejores formas de ordenar objetos es haciendo montículos. Está demostrado matemáticamente cómo mejoran la eficiencia de muchos tipos de algoritmos. Así que aquí traigo a modo de code-kata, de nuevo, otro pequeño script con el que se puede implementar montículos mínimos o máximos de cualquier tipo de objetos.

Un montículo es un tipo especial de árbol binario. Son binarios porque cada nodo tiene de máximo dos hijos. Además, éstos árboles están ordenados de arriba a abajo. Si es un montículo de mínimos entonces los elementos de arriba, los padres, siempre tienen un valor menor que los hijos. Si por el contrario es un montículo de máximos, entonces los elementos de arriba, los padres tienen un valor mayor.

Los cuadrados latinos son una aplicación matemática, utilizando combinatoria, para generar cuadrados con ciertos datos en cada casilla cumpliendo unas restricciones. Podemos encontrar cuadrados latinos por ejemplo en los famosos sudokus. También se puede aplicar a la forma de distribuir cultivos o fertilizantes en cuadrados de terrenos. También se pueden usar para generar puzzles, rompecabezas, o simplemente para practicar algorimos de programación..

Traigo entonces a modo de code-kata otro algoritmo, para resolver cuadrados latinos de tamaño NxN. Estos cuadrados latinos tienen la peculiaridad de que: en cada fila no se puede repetir el mismo dato, y en cada columna tampoco se puede repetir el mismo dato.

En este caso, he usado números para llenar de datos el cuadrado, y estos números del 1 a N significan un color. Un cero significa que está sin llenar, y los números entonces que llenamos van desde 1 hasta N, siendo N el ancho y alto del cuadrado.

Hoy traigo otro enigma matemático resuelto a modo de code-kata, un rompecabezas llamado las Torres de Hanói. El juego consiste en tres torres compuestas por discos que se apilan de forma decreciente, de forma que los discos de abajo siempre son mayores que los de arriba. Con cada movimiento sólo podemos mover un disco. Y tenemos que conseguir mover todos los discos que inicialmente están todos en la torre A a la torre B.

Haciendo ensayos, pruebas, partiendo de casos fáciles a más difíciles se puede establecer una estrategia por la cual se van moviendo todos los discos. Este problema bien conocido en computación se resuelve mediante la estrategia de divide y vencerás. Dividiendo el problema inicial, todos los discos en una torre, en subproblemas cada vez más sencillos y fáciles de abordar.

Se trata de un algoritmo recursivo. Cuyo caso base es mover un sólo disco. Si no estamos moviendo un sólo disco se subdivide en 2 problemas y se mueve un disco.

Hoy traigo otro code-kata para practicar con estructuras de datos y algoritmos. El problema del caballo es un clásico problema matemático. Consiste en recorrer todas las casillas de un tablero de ajedrez sin repetirlas y a salto del caballo.

Esta vez, la forma más sencilla de abordarlo es simular el salto del caballo haciendo un árbol de posibles recorridos del caballo hasta conseguir llenar el tablero por completo. Es decir, partimos de una casilla, este será el nodo inicial del árbol. Entonces los hijos de cada nodo son los caminos posibles desde el nodo inicial hasta las casillas posibles siguientes. Si estamos en un tablero de 8×8, y hemos llegado a un nivel de ramificación de 64 quiere decir que hemos recorrido todas las casillas que hay. Entonces habríamos resuelto una de las soluciones.

La mejor forma de resolver este problema es por la estrategia de vuelta atrás. Es decir, se va ramificando mientras que el caballo va saltando. Si llega a una casilla en la que ya no tiene casillas a las que saltar se vuelve atrás, para entonces seguir ramificando por el resto de posibles caminos. Esto con una función recursiva queda bien sencillo.

Hoy traigo de nuevo otro code-cata, para resolver el clásico problema de llenar paquetes con cosas de volumen variable, usando el mínimo de paquetes posible. Este problema de igual modo que los anteriores, se podría resolver de varias formas. Pero la forma más eficiente es usar el algoritmo de ramificación y poda.

El algoritmo de ramificación y poda, mediante este refinamiento, es una variante del de vuelta atrás. Como es habitual comenzamos generando todas las posibles soluciones como si lo resolviéramos por fuerza bruta. Generando un árbol de soluciones, haciendo la misma vuelta atrás para las soluciones no posibles. Es decir, haremos vuelta atrás si ya no caben más cosas en el paquete que estemos llenando; ramificando llenando la siguiente cosa en el siguiente paquete. También haremos vuelta atrás si hemos hecho un llenado completo con todas las cosas, para continuar estudiando la siguiente ramificación posible.

Imaginemos que tenemos cosas de varios valores, y tenemos que dividir todo en dos partes. De forma que a cada parte le toca un conjunto de cosas de igual valor que a la otra parte.

Esto se da en casos como en la separación de bienes entre dos cónyuges, o cuando se liquida una sociedad entre dos socios, o en el reparto de un botín entre dos piratas o corsarios 😀 Con un poco más de desarrollo se puede generalizar para la división en N conjuntos.

Para atacar este problema la mejor estrategia de programación es la vuelta atrás. No es eficiente usar la fuerza bruta, tampoco podemos encontrar una forma de decidir la mejor partición para cada nuevo elemento para usar la estrategia voraz. Tampoco podemos usar el divide y vencerás. Y por último tenemos que encontrar no sólo una solución, sino todas las soluciones posibles. Así que no nos queda otra que recorrer creando un árbol de combinaciones. Pero sin entrar a comprobar todas las posibilidades ya que crearíamos un algoritmo de fuerza bruta. Sino que iremos sólo explorando el árbol de posibilidades que quizá nos sirven como solución. En cada ramificación pondremos cada nuevo objeto en un conjunto o en otro. Así que ramificaremos de dos en dos ya que vamos a divir en dos conjuntos. Viendo la salida por pantalla se verá claro..

Hoy traigo otro script de estudio a modo de code-kata. Se trata de una variante de juego de mesa en el que hay que formar palabras con dados de letras. Es decir, tenemos unos dados que toman letras aleatoriamente. Teniendo entonces N dados de 6 letras cada uno. A su vez, se forman palabras aleatoriamente del mismo tamaño que la cantidad de dados que tenemos.

Comienza el juego; tenemos que encontrar si combinando dichos dados podemos formar la palabra. Para dar la respuesta hay que decir en qué posición ponemos cada dado y en qué cara.

De nuevo tenemos varias formas de resolverlo. Podríamos combinar a lo bruto los dados, cara a cara, comprobando si la solución es posible. La forma mas rápida y eficiente es usando el algoritmo de vuelta atrás. Tenemos que explorar todas las posibles soluciones, recorriendo el árbol completo de posibles soluciones. La lógica para resolverlo es ir poniendo dado a dado, haciendo llamadas recursivas para construir el árbol.

Aquí dejo un pequeño code-kata sobre cómo generar todas las palabras posibles con ciertas condiciones hecho en PHP. Se aplica el algoritmo de vuelta atrás, ramificando y podando el árbol de soluciones. Se usa este algoritmo porque tenemos que encontrar todas las posibles soluciones al problema. Pero debemos de cortar cada posible ramificación lo antes posible, haciendo una vuelta atrás, para continuar explorando por la siguiente rama de posibles soluciones.

De nuevo, también podemos generar las palabras a lo bruto para después ir comprobando si cumplen las restricciones. Pero será más eficiente tanto en tiempo como en espacio con esta estrategia de programación. Será mejor ir generarando las palabras e ir comprobando mientras que se van construyendo. La estrategia consiste en ir añadiendo letra a letra e ir comprobando si la nueva letra añadida puede ser una solución.

Hoy vengo a compartir un algoritmo de programación para resolver el problema de calcular el elemento mayoritario de un vector. Podemos hacerlo a lo bruto, directamente calculando cuántas veces se repite cada elemento.

Pero aquí la historia está en aplicar la estrategia de programación divide y vencerás. Si un elemento es mayoritario en un vector de n elementos, entonces se repite por lo menos n/2+1 veces. La estrategia consiste en que si un elemento es mayoritario en una mitad del vector, entonces es candidato para ser mayoritario. El problema inicial se subdivide en subproblemas hacia abajo más sencillos de resolver, para luego combinar las soluciones hacia arriba hasta llegar a la solución.

Nice coding!