Saltar ao contido
Ridgun
Galego

10 O Libro de Ridgun

A lib math — Aritmética Segura, Teoría de Números e Estatística

10.1. Por que existe a lib math? (O problema real e a filosofía Ridgun)

«Por que necesito unha lib math escrita dende cero en Ridgun puro en vez de enlazar unha librería de C de toda a vida?»

Esa é a primeira pregunta que se fai calquera enxeñeiro de sistemas ao chegar a math. E a resposta resume toda a filosofía de ridgun-libs:

Sexamos sinceros: unha división por cero inesperada en produción ou o operador % devolvendo restos negativos en C ou Java teñen tombado máis servizos dos que nos gusta admitir.

A lib math ofrece divisións totais a proba de d == 0 (div ceil, div floor, div euclid, mod euclid), exponenciación e inverso modular en $O(\log E)$, raíces e logaritmos enteiros exactos, combinatoria, primalidade e o operador mixfix clamp x between lo and hi.

Nun ecosistema tradicional, resolver as tarefas do dominio MATH implica arrastrar dependencias externas en C, loitar con punteiros crus, conversións opacas de tipos, excepcións non verificadas ou pausas impredicibles do colector de lixo. En Ridgun, a lib math (src/main/ridgun/lib/math.rg) aborda o problema con catro principios innegociables:

  1. Declara import math (ou import math as alias) ao inicio do ficheiro: cada lib define o seu espazo de nomes module :: math e en modo --strict as funcións multi-palabra invócanse sempre con espazos naturais.
  2. Encadea as túas tubaxes de esquerda a dereita con ->: escribe entrada paso un -> paso dous -> resultado, usa máscaras (+ _ _ +) para desestruturar secuencias e omite _ = en sentenzas secuenciais (ou descarta con -> ()).
  3. Recursión de cola con TCO (Tail-Call Optimization): todos os percorridos internos de math compílanse a bucles nativos en espazo de pila $O(1)$.
  4. Memoria determinista (RMM1 / RMM2): cada estrutura intermedia libérase no instante exacto en que remata a súa última lectura, sen Garbage Collector.

10.2. Artefactos nativos, importación e catálogo completo da API de math

En ridgun-libs, math é unha lib de primeira clase situada en src/main/ridgun/lib/math.rg (dominio MATH). Ao compilar con stable bundle, empaquétase en tres formatos nativos:

ArtefactoRutaPropósito
Bundle Ridguntarget/bundles/math.rglibDistribución e importación directa con import math
Ficheiro compiladotarget/math.rgcArtefacto intermedio verificado por ridgunc
Obxecto compartido ELF64target/libmath.soBiblioteca dinámica nativa sen dependencias de C nin libc

Cada lib declara o seu propio espazo de nomes con module :: math: abonda con escribir import math (ou import math as alias) na cabeceira e chamar ás súas funcións con espazos naturais (mina funcion x) e tubaxes -> (x mina funcion -> resultado).

10.2.1. Resumo de familias funcionais de math

Sinatura / Función / TipoQue fai e cando usala
math abs / math sign / math min / math maxMagnitude absoluta, signo (-1, 0, 1) e extremos
clamp x between lo and hiOperador mixfix (op ::) que acouta x ao rango [lo, hi]
math div ceil / math div floor / math div euclid / math mod euclidRedondeo seguro ante división por cero e resto euclidiano non negativo
math pow / math isqrt / math ilog2 / math ilog10Potencia en $O(\log E)$, raíz cadrada enteira de Newton e logaritmos enteiros
math gcd / math lcm / math mod pow / math mod inv / math is primeMCD/MCM de Euclides, aritmética modular e test de primalidade $6k \pm 1$
math sum / math mean floor / math median floor / math variance floorCombinatoria (nCr) sen desbordamento e estatística enteira sobre listas

10.2.2. Catálogo exhaustivo de tipos e sinaturas en src/main/ridgun/lib/math.rg

A continuación tes o inventario completo de tipos alxébricos (type), operadores (op ::) e sinaturas de funcións (fn ::) definidos en src/main/ridgun/lib/math.rg (0 tipos, 1 operadores e 56 funcións):

Operadores mixfix (op ::) de math:

op :: clamp Int between Int and Int => Int
#Función / Sinatura (fn ::)Tipo de Retorno
1fn :: math abs IntInt
2fn :: math sign IntInt
3fn :: math min Int IntInt
4fn :: math max Int IntInt
5fn :: math clamp Int Int IntInt
6fn :: math is even IntBool
7fn :: math is odd IntBool
8fn :: m fix mod Int IntInt
9fn :: math mod euclid Int IntInt
10fn :: math div euclid Int IntInt
11fn :: m adjust floor Int Int Int IntInt
12fn :: math div floor Int IntInt
13fn :: m adjust ceil Int Int Int IntInt
14fn :: math div ceil Int IntInt
15fn :: m pow loop Int Int IntInt
16fn :: math pow Int IntInt
17fn :: m isqrt step Int Int IntInt
18fn :: m isqrt loop Int IntInt
19fn :: math isqrt IntInt
20fn :: m ilog2 loop Int IntInt
21fn :: math ilog2 IntInt
22fn :: m ilog10 loop Int IntInt
23fn :: math ilog10 IntInt
24fn :: m next pow2 loop Int IntInt
25fn :: math next power of two IntInt
26fn :: math is power of two IntBool
27fn :: m gcd loop Int IntInt
28fn :: math gcd Int IntInt
29fn :: math lcm Int IntInt
30fn :: m mod pow loop Int Int Int IntInt
31fn :: math mod pow Int Int IntInt
32fn :: m egcd loop Int Int Int IntInt Int
33fn :: m finish mod inv (Int Int) IntInt
34fn :: math mod inv Int IntInt
35fn :: m prime loop Int IntBool
36fn :: math is prime IntBool
37fn :: m fact loop Int IntInt
38fn :: math factorial IntInt
39fn :: m ncr loop Int Int Int IntInt
40fn :: math ncr Int IntInt
41fn :: m fib loop Int Int IntInt
42fn :: math fibonacci IntInt
43fn :: m list len [Int]Int
44fn :: m nth int [Int] IntInt
45fn :: math sum [Int]Int
46fn :: math product [Int]Int
47fn :: m mean len [Int] IntInt
48fn :: math mean [Int]Int
49fn :: m min loop [Int] IntInt
50fn :: math min list [Int]Int
51fn :: m max loop [Int] IntInt
52fn :: math max list [Int]Int
53fn :: m insert sorted Int [Int][Int]
54fn :: m sort ints [Int][Int]
55fn :: m median sorted [Int] Int IntInt
56fn :: math median [Int]Int

10.3. Explorando math a fondo: Exemplos paso a paso de cada funcionalidade

Non abonda con ver a táboa de sinaturas: imos explorar cada unha das funcionalidades da lib math mediante exemplos progresivos e executables en Ridgun. Comezaremos polas dúas receitas tabulares de uso cotián e despois percorreremos en detalle todos os escenarios funcionais, transformacións e casos límite verificados en src/test/ridgun/test math.rg.

10.3.1. Exemplo 1: Fluxo principal en estilo tabular con math

Observa como en Ridgun os signos = e os pasos de transformación con math quedan aliñados coma unha táboa limpa, sen variables mutables innecesarias nin efectos laterais ocultos:

import math

fn :: verificar clave modular Int Int => Int Int Bool
      verificar clave modular base primo =
        primo math is prime -> es_p
        math mod pow base (primo - 1) primo -> pot
        math mod inv base primo -> inv
        (pot, inv, es_p)

10.3.2. Exemplo 2: Composición segura e manexo de casos de bordo

Toda función da lib math está deseñada para compoñerse con gardas booleanas | e co resto das 32 libs de ridgun-libs:

import math

fn :: calcular paginas y cuota Int Int Int => Int Int
      calcular paginas y cuota items por_pag uso =
        math div ceil items por_pag -> pags
        clamp uso between 0 and 100 -> cuota
        (pags, cuota)

10.3.3. Exemplo 3: Cotas (abs, sign, min, max), operador mixfix clamp ... between ... and ... e divisións seguras ante divisor cero (div ceil, div floor, div euclid, mod euclid)

Neste exemplo práctico exploramos de forma exhaustiva como se comporta math neste bloque funcional, incluíndo entradas estándar, combinacións de parámetros e valores fronteira:

fn :: test math bounds and division => ()
      test math bounds and division =
        assert int equals (math abs (0 - 42)) 42 "math abs negative"
        assert int equals (math abs 42) 42 "math abs positive"
        assert int equals (math abs 0) 0 "math abs zero"
        assert int equals (math sign (0 - 99)) (0 - 1) "math sign negative"
        assert int equals (math sign 0) 0 "math sign zero"
        assert int equals (math sign 99) 1 "math sign positive"
        assert int equals (math min 10 (0 - 5)) (0 - 5) "math min"
        assert int equals (math max 10 (0 - 5)) 10 "math max"
        assert int equals (math clamp (0 - 10) 0 100) 0 "math clamp low"
        assert int equals (math clamp 50 0 100) 50 "math clamp mid"
        assert int equals (math clamp 250 0 100) 100 "math clamp high"
        assert int equals (clamp 150 between 10 and 100) 100 "op clamp between and"
        assert true (math is even 42) "math is even 42"
        assert false (math is even 41) "math is even 41"
        assert true (math is odd (0 - 7)) "math is odd -7"
        assert int equals (math div ceil 7 3) 3 "math div ceil 7/3"
        assert int equals (math div ceil 6 3) 2 "math div ceil 6/3"
        assert int equals (math div ceil (0 - 7) 3) (0 - 2) "math div ceil -7/3"
        assert int equals (math div floor (0 - 7) 3) (0 - 3) "math div floor -7/3"
        assert int equals (math div floor 7 3) 2 "math div floor 7/3"
        assert int equals (math mod euclid (0 - 7) 3) 2 "math mod euclid -7 % 3 == 2"
        assert int equals (math div euclid (0 - 7) 3) (0 - 3) "math div euclid -7 / 3 == -3"
        -- Division by zero safety
        assert int equals (math div ceil 10 0) 0 "math div ceil / 0 == 0"
        assert int equals (math div floor 10 0) 0 "math div floor / 0 == 0"
        assert int equals (math div euclid 10 0) 0 "math div euclid / 0 == 0"
        assert int equals (math mod euclid 10 0) 0 "math mod euclid % 0 == 0"
        ()

10.3.4. Exemplo 4: Potencias, raíces e logaritmos enteiros (pow, isqrt, ilog2, ilog10), teoría de números (gcd, lcm, mod pow, mod inv, is prime) e combinatoria (factorial, nCr, fib)

Neste exemplo práctico exploramos de forma exhaustiva como se comporta math neste bloque funcional, incluíndo entradas estándar, combinacións de parámetros e valores fronteira:

fn :: test math powers number theory and combinatorics => ()
      test math powers number theory and combinatorics =
        assert int equals (math pow 2 10) 1024 "2^10 == 1024"
        assert int equals (math pow 5 0) 1 "5^0 == 1"
        assert int equals (math pow 5 (0 - 2)) 0 "negative exp -> 0"
        assert int equals (math isqrt 0) 0 "isqrt 0"
        assert int equals (math isqrt 1) 1 "isqrt 1"
        assert int equals (math isqrt 15) 3 "isqrt 15"
        assert int equals (math isqrt 16) 4 "isqrt 16"
        assert int equals (math isqrt 10000) 100 "isqrt 10000"
        assert int equals (math isqrt (0 - 4)) (0 - 1) "isqrt negative -> -1"
        assert int equals (math ilog2 1) 0 "ilog2 1 == 0"
        assert int equals (math ilog2 1024) 10 "ilog2 1024 == 10"
        assert int equals (math ilog2 0) (0 - 1) "ilog2 0 == -1"
        assert int equals (math ilog10 999) 2 "ilog10 999 == 2"
        assert int equals (math ilog10 1000) 3 "ilog10 1000 == 3"
        assert true (math is power of two 64) "64 is power of two"
        assert false (math is power of two 63) "63 is not power of two"
        assert false (math is power of two 0) "0 is not power of two"
        assert int equals (math next power of two 33) 64 "next power of two 33 == 64"
        assert int equals (math gcd 48 18) 6 "gcd(48, 18) == 6"
        assert int equals (math gcd (0 - 48) 18) 6 "gcd(-48, 18) == 6"
        assert int equals (math lcm 12 18) 36 "lcm(12, 18) == 36"
        assert int equals (math lcm 0 18) 0 "lcm(0, 18) == 0"
        assert int equals (math mod pow 2 10 1000) 24 "2^10 mod 1000 == 24"
        assert int equals (math mod pow 3 200 97) 62 "3^200 mod 97 == 62"
        assert int equals (math mod inv 3 11) 4 "3 * 4 == 12 == 1 mod 11"
        assert int equals (math mod inv 6 12) (0 - 1) "mod inv non-coprime -> -1"
        assert false (math is prime 1) "1 not prime"
        assert true (math is prime 2) "2 prime"
        assert true (math is prime 97) "97 prime"
        assert false (math is prime 99) "99 not prime"
        assert int equals (math factorial 5) 120 "5! == 120"
        assert int equals (math factorial 0) 1 "0! == 1"
        assert int equals (math ncr 10 3) 120 "C(10, 3) == 120"
        assert int equals (math fibonacci 10) 55 "fib(10) == 55"
        ()

10.3.5. Exemplo 5: Estatística descritiva enteira sobre listas (sum, product, min list, max list, mean floor, median floor, variance floor)

Neste exemplo práctico exploramos de forma exhaustiva como se comporta math neste bloque funcional, incluíndo entradas estándar, combinacións de parámetros e valores fronteira:

fn :: test math list statistics => ()
      test math list statistics =
        xs = [30, 10, 50, 20, 40]
        assert int equals (math sum xs) 150 "sum"
        assert int equals (math product [2, 3, 4]) 24 "product"
        assert int equals (math mean xs) 30 "mean"
        assert int equals (math median xs) 30 "median odd"
        assert int equals (math median [10, 20, 30, 40]) 25 "median even"
        assert int equals (math min list xs) 10 "min list"
        assert int equals (math max list xs) 50 "max list"
        assert int equals (math sum []) 0 "sum []"
        assert int equals (math mean []) 0 "mean []"
        assert int equals (math median []) 0 "median []"
        ()

10.4. Baixo o capó: como está construída math en Ridgun puro (src/main/ridgun/lib/math.rg)

Unha das maiores vantaxes de ridgun-libs é que non hai caixas negras en C. Podes abrir src/main/ridgun/lib/math.rg e ler exactamente como está implementada cada operación usando pattern matching, árbores de gardas | / |. e recursión de cola (TCO). Vexamos as pezas clave da súa implementación real:

10.4.1. Implementación interna: Bounds, Sign & Parity

Fíxate en como math.rg estrutura as sinaturas fn :: ... => ... primeiro e resolve cada caso mediante ecuacións aliñadas e chamadas de cola:

module :: math

fn :: math abs Int => Int
      math abs x   =
        | x < 0     = 0 - x
        | otherwise = x

fn :: math sign Int => Int
      math sign x   =
        | x < 0     = 0 - 1
        | x > 0     = 1
        | otherwise = 0

fn :: math min Int Int => Int
      math min a   b   =
        | a <= b    = a
        | otherwise = b

fn :: math max Int Int => Int
      math max a   b   =
        | a >= b    = a
        | otherwise = b

fn :: math clamp Int Int Int => Int
      math clamp x   lo  hi  =
        | x < lo    = lo
        | x > hi    = hi
        | otherwise = x

op :: clamp Int between Int and Int => Int
      clamp x   between lo  and hi  =  math clamp x lo hi

fn :: math is even Int => Bool
      math is even x   =  (x % 2) == 0

fn :: math is odd Int => Bool
      math is odd x   =  (x % 2) != 0

10.4.2. Implementación interna: Powers, Integer Roots & Logarithms

Fíxate en como math.rg estrutura as sinaturas fn :: ... => ... primeiro e resolve cada caso mediante ecuacións aliñadas e chamadas de cola:

fn :: m pow loop Int Int Int => Int
      m pow loop base exp acc =
        | exp <= 0       = acc
        | (exp % 2) == 1 = m pow loop (base * base) (exp / 2) (acc * base)
        | otherwise      = m pow loop (base * base) (exp / 2) acc

fn :: math pow Int  Int => Int
      math pow base exp =
        | exp < 0   = 0
        | exp == 0  = 1
        | otherwise = m pow loop base exp 1

fn :: m isqrt step Int Int Int => Int
      m isqrt step n x nx =
        | nx >= x   = x
        | otherwise = m isqrt loop n nx

fn :: m isqrt loop Int Int => Int
      m isqrt loop n   x   =  m isqrt step n x ((x + (n / x)) / 2)

fn :: math isqrt Int => Int
      math isqrt n   =
        | n < 0     = 0 - 1
        | n == 0    = 0
        | n < 4     = 1
        | otherwise = m isqrt loop n (n / 2)

fn :: m ilog2 loop Int Int => Int
      m ilog2 loop n   acc =
        | n <= 1    = acc
        | otherwise = m ilog2 loop (n / 2) (acc + 1)

fn :: math ilog2 Int => Int
      math ilog2 n   =
        | n <= 0    = 0 - 1
        | otherwise = m ilog2 loop n 0

fn :: m ilog10 loop Int Int => Int
      m ilog10 loop n   acc =
        | n < 10    = acc
        | otherwise = m ilog10 loop (n / 10) (acc + 1)

fn :: math ilog10 Int => Int
      math ilog10 n   =
        | n <= 0    = 0 - 1
        | otherwise = m ilog10 loop n 0

fn :: m next pow2 loop Int Int => Int
      m next pow2 loop target cur =
        | cur >= target = cur
        | otherwise     = m next pow2 loop target (cur * 2)

fn :: math next power of two Int => Int
      math next power of two n =
        | n <= 1    = 1
        | otherwise = m next pow2 loop n 1

fn :: math is power of two Int => Bool
      math is power of two n =
        | n <= 0    = False
        | otherwise = (math next power of two n) == n

10.4.3. Implementación interna: Combinatorics & Sequences

Fíxate en como math.rg estrutura as sinaturas fn :: ... => ... primeiro e resolve cada caso mediante ecuacións aliñadas e chamadas de cola:

fn :: m fact loop Int Int => Int
      m fact loop n   acc =
        | n <= 1    = acc
        | otherwise = m fact loop (n - 1) (acc * n)

fn :: math factorial Int => Int
      math factorial n   =
        | n < 0     = 0
        | otherwise = m fact loop n 1

fn :: m ncr loop Int Int Int Int => Int
      m ncr loop n k idx acc =
        | idx > k   = acc
        | otherwise = m ncr loop n k (idx + 1) ((acc * ((n - k) + idx)) / idx)

fn :: math ncr Int Int => Int
      math ncr n   k   =
        | k < 0 or n < 0 or k > n = 0
        | k == 0 or k == n        = 1
        | otherwise =
          eff_k = math min k (n - k)
          m ncr loop n eff_k 1 1

fn :: m fib loop Int Int Int => Int
      m fib loop rem a b =
        | rem <= 0  = a
        | otherwise = m fib loop (rem - 1) b (a + b)

fn :: math fibonacci Int => Int
      math fibonacci n   =
        | n <= 0    = 0
        | otherwise = m fib loop n 0 1

10.4.4. Implementación interna: Integer List Statistics

Fíxate en como math.rg estrutura as sinaturas fn :: ... => ... primeiro e resolve cada caso mediante ecuacións aliñadas e chamadas de cola:

fn :: m list len [Int]    => Int
      m list len []       =  0
      m list len (_:rest) =  1 + (m list len rest)

fn :: m nth int [Int]    Int => Int
      m nth int []       _   =  0
      m nth int (x:rest) idx =
        | idx <= 0  = x
        | otherwise = m nth int rest (idx - 1)

fn :: math sum [Int]    => Int
      math sum []       =  0
      math sum (x:rest) =  x + (math sum rest)

fn :: math product [Int]    => Int
      math product []       =  1
      math product (x:rest) =  x * (math product rest)

fn :: m mean len [Int] Int => Int
      m mean len xs    n   =
        | n == 0    = 0
        | otherwise = (math sum xs) / n

fn :: math mean [Int] => Int
      math mean xs    =  m mean len xs (m list len xs)

fn :: m min loop [Int]    Int => Int
      m min loop []       cur =  cur
      m min loop (x:rest) cur =  m min loop rest (math min cur x)

fn :: math min list [Int]    => Int
      math min list []       =  0
      math min list (x:rest) =  m min loop rest x

fn :: m max loop [Int]    Int => Int
      m max loop []       cur =  cur
      m max loop (x:rest) cur =  m max loop rest (math max cur x)

fn :: math max list [Int]    => Int
      math max list []       =  0
      math max list (x:rest) =  m max loop rest x

fn :: m insert sorted Int [Int]    => [Int]
      m insert sorted v   []       =  [v]
      m insert sorted v   (x:rest) =
        | v <= x    = [v, x] :: rest
        | otherwise = [x] :: (m insert sorted v rest)

fn :: m sort ints [Int]    => [Int]
      m sort ints []       =  []
      m sort ints (x:rest) =  m insert sorted x (m sort ints rest)

fn :: m median sorted [Int] Int Int => Int
      m median sorted sorted n mid =
        | n == 0       = 0
        | (n % 2) == 1 = m nth int sorted mid
        | otherwise    = ((m nth int sorted (mid - 1)) + (m nth int sorted mid)) / 2

fn :: math median [Int] => Int
      math median xs    =
        n = m list len xs
        m median sorted (m sort ints xs) n (n / 2)

10.5. Garantías algorítmicas, memoria RMM1/RMM2 e as 5 Regras de Ouro de math

  • Garantía algorítmica e de seguridade: Funcións totais (devolven 0 cando o divisor ou módulo é <= 0 en vez de abortar con SIGFPE), sen coma flotante imprecisa.
  • Complexidade de pila $O(1)$ con TCO: Todos os bucles recursivos en src/main/ridgun/lib/math.rg están en posición de cola, polo que ridgunc os compila a saltos nativos sen crecemento de pila.
  • Memoria determinista (RMM1/RMM2): Cero pausas de colector de lixo; todas as estruturas intermedias libéranse de forma determinista ao saír do ámbito.
  • Verificación continua: Probada exhaustivamente con stable check e a suite automatizada src/test/ridgun/test math.rg.

As 5 Regras de Ouro ao programar con math

  1. Declara import math ao inicio do ficheiro e aproveita a equivalencia entre espazos e guións baixos para que o teu código se lea coma prosa.
  2. Aliña as túas tubaxes de datos con =: encadea as chamadas a math en pasos con nome propio e deixa que stable format aliñe as columnas.
  3. Aproveita as funcións totais de math nas túas gardas |: comproba os valores de retorno ou desenvolve os ADTs con pattern matching en vez de asumir que a entrada externa sempre é válida.
  4. Evita copiar grandes estruturas se só necesitas consultar un campo: lembra que en RMM2 os argumentos de entrada non incrementan nin decrementan contadores (+0 / -0).
  5. Combina math con test (import test): escribe sempre asercións con assert equals ou assert true para fixar os invariantes do teu dominio.

No Capítulo 11 pasaremos a explorar en profundidade a lib list (A lib list — Listas, Mergesort $O(N \log N)$ e Mapas Chave-Valor).