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数式と Haskell 式の対応関係をまとめてみた

Last updated at Posted at 2018-07-25

はじめに

数式とPython式の対応関係をまとめてみた - Qiita を Haskell に置き換えてみました。良質な記事をありがとうございます。

記号論理

数式における $X$ および $Y$ は命題、 $A$ は集合、 $P$ は述語を、Haskell における $X$ および $Y$ は Bool 型の値、 $A$ はリスト型の値、 $P$ は Bool 型の値を返す関数を表すとします。

意味 数式 Haskell
論理積 $X \land Y$ X && Y
論理和 $X \lor Y$ X || Y
論理否定 $\lnot X$ not X
論理包含 $X \Rightarrow Y$ not X || Y
全称限量記号 $\forall a \in A, P(a)$ and [P a | a <- A]
存在限量記号 $\exists a \in A, P(a)$ or [P a | a <- A]

and, orPrelude モジュールの関数で、結構便利です。

集合論

数式における $A$ および $B$ は集合を、$P$ は述語を、Haskell における $A$ および $B$ はリスト型の値、 $P$ は Bool 型の値を返す関数とします。

意味 数式 Haskell
内包表記 $\{a \mid a \in A, P(a) \}$ [a | a <- A, P a]
元である $a \in A$ a `elem` A
元でない $a \notin A$ not (a `elem` A)
部分集合 $A \subseteq B$ all (`elem` B) A
真部分集合 $A \subset B$ all (`elem` B) A && not (all (`elem` A) B)
積集合 $A \cap B$ A `intersect` B
和集合 $A \cup B$ A `union` B
差集合 $A \setminus B$ A \\ B
べき集合 $2^{A}$ filterM (\_ -> [True, False]) A
直積集合 $A \times B$ [[x, y] | x <- A, y <- B]
最大値 $\max{A}$ foldr1 max A
最小値 $\min{A}$ foldr1 max A
濃度 $ \mid A \mid$ length A

intersectunion\\Data.List で定義されている関数、filterMControl.Monad で定義されている関数です。

真部分集合を扱うことはほとんどないと思いますが、Haskell で表現しようとするとしんどいですね。

定数

piPrelude モジュールで定義されている値です。

意味 数式 Haskell
0 $0$ 0
1 $1$ 1
円周率 $\pi$ pi
ネイピア数 $e$ N/A 1
虚数単位 $i$ N/A 2

Haskell では、複素数を 4 :+ 2 のように表せます。

代数学

数式における $n$ は自然数、$A$ は集合、$f$ は $\mathbb{N} \rightarrow \mathbb{R}$ なる写像、$g$ は $A \rightarrow \mathbb{R}$ なる写像、$m$ は非負の整数、 $x$ および $y$ は実数、$z$ は複素数、Haskell式における n は 1 以上の Integral 型の値、$A$ はリスト型の値、fgNum 型の値を返す関数、m は 0 以上の Integral 型の値、 x および yNum 型の値、zData.Complex 型の値を表すとします。

意味 数式 Haskell
総和 $\sum_{i=1}^{n} f(i)$ sum (map f [1..n])
総和 $\sum_{a \in A} g(a)$ sum (map g A)
総乗 $\prod_{i=1}^{n} f(i)$ product (map f [1..n])
総乗 $\prod_{a \in A} g(a)$ product (map f A)
階乗 $m!$ product [1..m]
天井関数 $\lceil x \rceil $ ceiling x
床関数 $\lfloor x \rfloor $ floor x
絶対値 $\mid x \mid $ abs x
実部 $\Re{z}$ (z :+ _)
虚部 $\Im{z}$ (_ :+ z)
指数 $x^y$ x ** y
冪根 $\sqrt[m]{x}$ x ** (1 / m)

:+Data.Complex で定義されるデータコンストラクタです。

おわりに

標準ライブラリだけでも、多くの数式をきれいな Haskell で表現できますね。

  1. ネイピア数をリーズナブルに表現する関数は Haskell には(多分)存在しません

  2. Haskell では虚数単位は存在しませんが、敢えて表すとするなら 0 :+ 1 でしょうか

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