Иван Братко - Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта
Например, для списка
[ энн, теннис, том, лыжи ]
энн — это голова, а хвостом является список
[ теннис, том, лыжи ]
В общем случае, головой может быть что угодно (любой прологовский объект, например, дерево или переменная); хвост же должен быть списком. Голова соединяется с хвостом при помощи специального функтора. Выбор этого функтора зависит от конкретной реализации Пролога; мы будем считать, что это точка:
.( Голова, Хвост)
Поскольку Хвост — это список, он либо пуст, либо имеет свои собственную голову и хвост. Таким образом, выбранного способа представления списков достаточно для представления списков любой длины. Наш список представляется следующим образом:
.( энн, .( теннис, .( том, .( лыжи, [] ) ) ) )
На рис. 3.1 изображена соответствующая древовидная структура. Заметим, что показанный выше пример содержит пустой список []. Дело в том, что самый последний хвост является одноэлементным списком:
[ лыжи ]
Хвост этого списка пуст
[ лыжи ] = .( лыжи, [] )
Рассмотренный пример показывает, как общий принцип структуризации объектов данных можно применить к спискам любой длины. Из нашего примера также видно, что такой примитивный способ представления в случае большой глубины вложенности подэлементов в хвостовой части списка может привести к довольно запутанным выражениям. Вот почему в Прологе предусматривается более лаконичный способ изображения списков, при котором они записываются как последовательности элементов, заключенные в квадратные скобки. Программист может использовать оба способа, но представление с квадратными скобками, конечно, в большинстве случаев пользуется предпочтением. Мы, однако, всегда будем помнить, что это всего лишь косметическое улучшение и что во внутреннем представлении наши списки выглядят как деревья. При выводе же они автоматически преобразуются в более лаконичную форму представления. Так, например, возможен следующий диалог:
?- Список1 = [а, b, с],
Список2 = (a, .(b, .(c,[]) ) ).
Список1 = [а, b, с]
Список2 = [а, b, с]
?- Увлечения1 = .( теннис, .(музыка, [] ) ),
Увлечения2 = [лыжи, еда],
L = [энн, Увлечения1, том, Увлечения2].
Увлечения1 = [теннис, музыка]
Увлечения2 = [лыжи, еда]
L = [энн, [теннис, музыка], том, [лыжи, еда]]
Рис. 3.1. Представление списка [энн, теннис, том, лыжи] в виде дерева.
Приведенный пример также напоминает вам о том, что элементами списка могут быть любые объекты, в частности тоже списки.
На практике часто бывает удобным трактовать хвост списка как самостоятельный объект. Например, пусть
L = [а, b, с]
Тогда можно написать:
Хвост = [b, с] и L = .(а, Хвост)
Для того, чтобы выразить это при помощи квадратных скобок, в Прологе предусмотрено еще одно расширение нотации для представления списка, а именно вертикальная черта, отделяющая голову от хвоста:
L = [а | Хвост]
На самом деле вертикальная черта имеет более общий смысл: мы можем перечислить любое количество элементов списка, затем поставить символ "|", а после этого — список остальных элементов. Так, только что рассмотренный пример можно представить следующими различными способами:
[а, b, с] = [а | [b, с]] = [a, b | [c]] = [a, b, c | [ ]]
Подытожим:
• Список — это структура данных, которая либо пуста, либо состоит из двух частей: головы и хвоста. Хвост в свою очередь сам является списком.
• Список рассматривается в Прологе как специальный частный случай двоичного дерева. Для повышения наглядности программ в Прологе предусматриваются специальные средства для списковой нотации, позволяющие представлять списки в виде
[ Элемент1, Элемент2, ... ]
или
[ Голова | Хвост ]
или
[ Элемент1, Элемент2, ... | Остальные]
3.2. Некоторые операции над списками
Списки можно применять для представления множеств, хотя и существует некоторое различие между этими понятиями: порядок элементов множества не существенен, в то время как для списка этот порядок имеет значение; кроме того, один н тот же объект может встретиться в списке несколько раз. Однако наиболее часто используемые операции над списками аналогичны операциям над множествами. Среди них
• проверка, является ли некоторый объект элементом списка, что соответствует проверке объекта на принадлежность множеству;
• конкатенация (сцепление) двух списков, что соответствует объединению множеств;
• добавление нового объекта в список или удаление некоторого объекта из него.
В оставшейся части раздела мы покажем программы, реализующие эти и некоторые другие операции над списками.
3.2.1. Принадлежность к списку
Мы представим отношение принадлежности как
принадлежит( X, L)
где X — объект, а L — список. Цель принадлежит( X, L) истинна, если элемент X встречается в L. Например, верно что
принадлежит( b, [а, b, с] )
и, наоборот, не верно, что
принадлежит b, [а, [b, с] ] )
но
принадлежит [b, с], [а, [b, с]] )
истинно. Составление программы для отношения принадлежности может быть основано на следующих соображениях:
(1) X есть голова L, либо
(2) X принадлежит хвосту L.
Это можно записать в виде двух предложений, первое из которых есть простой факт, а второе — правило:
принадлежит( X, [X | Хвост ] ).
принадлежит ( X, [Голова | Хвост ] ) :-
принадлежит( X, Хвост).
3.2.2. Сцепление (конкатенация)
Для сцепления списков мы определим отношение
конк( L1, L2, L3)
Здесь L1 и L2 — два списка, a L3 — список, получаемый при их сцеплении. Например,
конк( [а, b], [c, d], [a, b, c, d] )
истинно, а
конк( [а, b], [c, d], [a, b, a, c, d] )
ложно. Определение отношения конк, как и раньше, содержит два случая в зависимости от вида первого аргумента L1:
(1) Если первый аргумент пуст, тогда второй и третий аргументы представляют собой один и тот же список (назовем его L), что выражается в виде следующего прологовского факта:
конк( [], L, L ).
(2) Если первый аргумент отношения конк не пуст, то он имеет голову и хвост в выглядит так:
[X | L1]
На рис. 3.2 показано, как производится сцепление списка [X | L1] с произвольным списком L2. Результат сцепления — список [X | L3], где L3 получен после сцепления списков L1 и L2. На прологе это можно записать следующим образом:
конк( [X | L1, L2, [X | L3]):-
конк( L1, L2, L3).
Рис. 3.2. Конкатенация списков.
Составленную программу можно теперь использовать для сцепления заданных списков, например:
?- конк( [a, b, с], [1, 2, 3], L ).
L = [a, b, c, 1, 2, 3]
?- конк( [а, [b, с], d], [а, [], b], L ).
L = [a, [b, c], d, а, [], b]
Хотя программа для конк выглядит довольно просто, она обладает большой гибкостью и ее можно использовать многими другими способами. Например, ее можно применять как бы в обратном направлении для разбиения заданного списка на две части:
?- конк( L1, L2, [а, b, с] ).
L1 = []
L2 = [а, b, c];
L1 = [а]
L2 = [b, с];
L1 = [а, b]
L2 = [c];
L1 = [а, b, с]
L2 = [];
no (нет)
Список [а, b, с] разбивается на два списка четырьмя способами, и все они были обнаружены нашей программой при помощи механизма автоматического перебора.
Нашу программу можно также применить для поиска в списке комбинации элементов, отвечающей некоторому условию, задаваемому в виде шаблона или образца. Например, можно найти все месяцы, предшествующие данному, и все месяцы, следующие за ним, сформулировав такую цель:
?- конк( До, [май | После ],
[янв, фев, март, апр, май, июнь,
июль, авг, сент, окт, ноябрь, дек]).
До = [янв, фев, март, апр]
После = [июнь, июль, авг, сент, окт, ноябрь, дек].
Далее мы сможем найти месяц, непосредственно предшествующий маю, и месяц, непосредственно следующий за ним, задав вопрос:
?- конк( _, [Месяц1, май, Месяц2 | _ ],
[янв, февр, март, апр, май, июнь,
июль, авг, сент, окт, ноябрь, дек]).
Месяц1 = апр
Месяц2 = июнь
Более того, мы сможем, например, удалить из некоторого списка L1 все, что следует за тремя последовательными вхождениями элемента z в L1 вместе с этими тремя z. Например, это можно сделать так:
