Иван Братко - Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта
[M, O, N, E, Y].
Рис. 7.2. Программа для арифметических ребусов.
Иногда этот ребус упрощают, сообщая часть решения в виде дополнительного ограничения, например D равно 5. В такой форме ребус можно передать пролог-системе при помощи сумма1:
?- сумма1( [5, O, N, A, L, 5],
[G, E, R, A, L, 5],
[R, O, B, E, R, T],
0, 0, [0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9], _ ).
Интересно, что в обоих случаях существует только одно решение, т.е. только один способ заменить буквы цифрами.
Упражнения7.1. Напишите процедуру упростить для упрощения алгебраических сумм, в которых участвуют числа и символы (строчные буквы). Пусть эта процедура переупорядочивает слагаемые так, чтобы символы предшествовали числам. Вот примеры ее использования:
?- упростить( 1 + 1 + а, E).
E = а + 2
?- упростить( 1 + a + 4 + 2 + b + с, E).
E = а + b + с + 7
?- упростить( 3 + x + x, E).
E = 2*x + 3
7.2. Определите процедуру
добавить( Элемент, Список)
для добавления нового элемента в список. Предполагается, что все элементы, хранящиеся в списке, — атомы. Список состоит из всех хранящихся в нем элементов, а за ними следует хвост, который не конкретизирован и служит для принятия новых элементов. Пусть, например, в списке уже хранятся а, b и с, тогда
Список = [а, b, с | Хвост]
где Хвост — переменная. Цель
добавить( d, Список)
вызовет конкретизацию
Xвoст = [d | НовыйХвост] и
Список = [а, b, с, d | НовыйХвост]
Таким способом структура может наращиваться, включая в себя новые элементы. Определите также соответствующее отношение принадлежности.
7.2. Создание и декомпозиция термов: =.., functor, arg, name
Имеются три встроенные предиката для декомпозиции и синтеза термов: functor, arg и =... Рассмотрим сначала отношение =.., которое записывается как инфиксный оператор. Цель
Терм =.. L
истинна, если L — список, начинающийся с главного функтора терма Терм, вслед за которым идут его аргументы. Вот примеры:
?- f( а, b) =.. L.
L = [f, а, b]
?- T =.. [прямоугольник, 3, 5].
T = прямоугольник( 3, 5)
?- Z =.. [p, X, f( X,Y) ].
Z = p( X, f( X,Y) )
Зачем может понадобиться разбирать терм на составляющие компоненты — функтор и его аргументы? Зачем создавать новый терм из заданного функтора и аргументов? Следующий пример показывает, что это действительно нужно.
Рассмотрим программу, которая манипулирует геометрическими фигурами. Фигуры — это квадраты, прямоугольники, треугольники, окружности в т.д. В программе их можно представлять в виде термов, функтор которых указывает на тип фигуры, а аргументы задают ее размеры:
квадрат( Сторона)
треугольник( Сторона1, Сторона2, Сторона3)
окружность( R)
Одной из операций над такими фигурами может быть увеличение. Его можно реализовать в виде трехаргументного отношения
увел( Фиг, Коэффициент, Фиг1)
где Фиг и Фиг1 — геометрические фигуры одного типа (с одним в тем же функтором), причем параметры Фиг1 равны параметрам Фиг, умноженным на Коэффициент. Для простоты будем считать, что все параметры Фиг, а также Коэффициент уже известны, т.е. конкретизированы числами. Один из способов программирования отношения увел таков:
увел( квадрат( A), F, квадрат( А1) ) :-
A1 is F*A
увел( окружность( R), F, окружность( R1) ) :-
R1 is F*R1
увел( прямоугольник( А, В), F, прямоугольник( А1, В1)) :-
A1 is F*A, B1 is F*B.
Такая программа будет работать, однако она будет выглядеть довольно неуклюже при большом количестве различных типов фигур. Мы будем вынуждены заранее предвидеть все возможные типы, которые могут когда-либо встретиться. Придется заготовить по предложению на каждый тип, хотя во всех этих предложениях по существу говорится одно и то же: возьми параметры исходной фигуры, умножь их на коэффициент и создай фигуру того же типа с этими новыми параметрами.
Ниже приводится программа, в которой делается попытка (неудачная) справиться для начала хотя бы со всеми однопараметрическими фигурами при помощи одного предложения:
увел( Тип( Пар), F, Тип( Пар1) ):-
Пар1 is F*Пар.
Однако в Прологе подобные конструкции, как правило, запрещены, поскольку функтор должен быть атомом, и, следовательно, переменная Тип синтаксически не будет воспринята как функтор. Правильный метод — воспользоваться предикатом '=..'. Тогда процедура увел будет иметь обобщенную формулировку, пригодную для фигур любых типов:
увел( Фиг, F, Фиг1):-
Фиг =.. [Тип | Параметры],
умножспис( Параметры, F, Параметры1),
Фиг1 =.. [Тип | Параметры)].
умножспис( [], _, []).
умножспис( [X | L], F, [X1 | L1] ) :-
X1 is F*X, умножспис( L, F, L1).
Наш следующий пример использования предиката '=..' связан с обработкой символьных выражений (формул), где часто приходится подставлять вместо некоторого подвыражения другое выражение. Мы определим отношение
подставить( Подтерм, Терм, Подтерм1, Терм1)
следующим образом: если все вхождения Подтерм'а в Терм заменить на Подтерм1, то получится Терм1. Например:
?- подставить( sin( x), 2*sin( x)*f( sin( x)), t, F ).
F = 2*t*f( t)
Под "вхождением" Подтерм'а в Терм мы будем понимать такой элемент Терм'а, который сопоставим с Подтерм'ом. Вхождения будем искать сверху вниз. Поэтому цель
?- подставить( а+b, f( а, А+В), v, F).
даст результат
F = f( а, v)
А = а
В = b
а не
F = f( a, v + v)
А = а + b
В = а + b
При определении отношения подставить нам нужно рассмотреть несколько случаев и для каждого принять свое решение:
если Подтерм = Терм, то Терм1 = Подтерм1;
иначе если Терм — "атомарный" (не структура),
то Терм1 = Терм (подставлять нечего),
иначе подстановку нужно выполнить над аргументами Tерм'a.
Эти правила можно превратить в программу, показанную на рис. 7.3.
Термы, полученные при помощи предиката '=..', разумеется, можно использовать и в качестве целей. Это дает возможность программе в процессе вычислений самой порождать и вычислять цели, структура которых не обязательно была известна заранее в момент написания программы. Последовательность целей, иллюстрирующая этот прием, могла бы выглядеть примерно так:
получить( Функтор),
вычислить( Списарг),
Цель =.. [Функтор | Списарг],
Цель
Здесь получить и вычислить — некоторые определенные пользователем процедуры, предназначенные для вычисления компонент цели. После этого цель порождается предикатом '=..', а затем активизируется при помощи простого указания ее имени Цель.
% Отношение
%
% подставить( Подтерм, Терм, Подтерм1, Терм1)
%
% состоит в следующем: если все вхождения Подтерм'а в Терм
% заменить на Подтерм1, то получится Терм1.
% Случай 1: Заменить весь терм
подставить( Терм, Терм, Терм1, Терм1) :- !.
% Случай 2: нечего подставлять
подставить( _, Терм, _, Терм) :-
atomic( Терм), !.
% Случай 3: Проделать подстановку в аргументах
подставить( Под, Терм, Под1, Терм1) :-
Терм =.. [F | Арги],
% Выделить аргументы
подспис( Под, Арги, Под1, Арги1),
% Выполнить над ними подстановку
Терм1 =.. [F | Арги1].
подспис( Под, [Терм | Термы], Под1, [Терм1 | Термы1]) :-
подставить( Под, Терм, Под1, Терм1),
подспис( Под, Термы, Под1, Термы1).
Рис. 7.3. Процедура подстановки в терм вместо одного из его подтермов некоторого другого подтерма.
Некоторые реализации Пролога могут содержать требование, чтобы все цели, появляющиеся в программе, по своей синтаксической форме были либо атомами, либо структурами с атомом в качестве главного функтора. Поэтому переменная, вне зависимости от ее текущей конкретизации, может по своей синтаксической форме не подойти в качестве цели. Эту трудность можно обойти при помощи еще одного встроенного предиката call (вызов), чьим аргументом является цель, подлежащая вычислению. В соответствий с этим предыдущий пример должен быть переписан так:
