Предикат отсечения и управление логическим выводом в программах

Управление процессом просмотра предложений является важным аспектом программирования на Прологе. Это осуществляется с помощью специальной встроенной функции «резать», обозначаемой символом "!".

Данная встроенная функция может быть использована длядостижения следующих трех целей:

1) исключения бесконечной петли при выполнении программы;

2) программирования взаимоисключающих утверждений;

3) блокирования просмотра целей.

Продемонстрируем все три случая на примерах.

Пример 1. Устранение бесконечных циклов. Обратимся к утверждениям, определяющим последовательность Фибоначчи (числовая последовательность 1, 1, 2, 3, 5, 8,..., в которой каждое число, начиная с третьего есть сумма двух предыдущих).

Программа 118

fib (0,_,1).

fib (1,1,1).

fib (N,G,H) : - fib ( N-l ,F,G), H is F+G.

На запрос

?- fib (0_ ,F).

получим F = 1, и Пролог сделает попытку сопоставить с запросом второй факт и потерпит неудачу. Однако сопоставление головы третьего утверждения с запросом происходит успешно и осуществляется попытка доказать цель fib(-l,FO,Fl), что, в свою очередь, приводит к цели fib(-2, .., ..) и так далее, т.е. образуется бесконечный цикл.

Однако мы можем устранить такие ситуации, используя отсечение и тем самым указывая Прологу, что не существует других решении в случае успешного согласования граничного условия.

Программа 119

fib (0,_,1) : - !.

fib (1,1,1) : - !.

fib (N,G,H) : - fib ( N-l ,F,G), H is F+G.

Учитывая данное определение fib и задавая вопрос

?- fib(0_ ,F).

получаем F=l. Других решений нет.

Пример 2. Программирование взаимоисключающих утверждений. Процедуру нахождения наибольшегоиз двух чисел можно записать в виде отношения

max(X, Y, М).

Здесь М=Х, если X>=Y, и M=Y, если X<Y. Соответствующие правила таковы:

max(X,Y,X):-X>=Y.

max(X, Y, Y) : - X<Y.

Эти правила являются взаимоисключающими. Возможна более экономная формулировка, использующая понятие «иначе»:

если X>=Y то М=Х иначе M=Y.

На Прологе это записывается при помощи отсечения:

max(X,Y,X):-X>=Y,!

max(X, Y, Y).

Пример 3. Блокирование просмотра целей.

Программа 120

В.

D

А: - В, С. (1)

С: -D, !, Е. (2)

Е: -F, G, H. (З)

?А.

Говорят, что дизъюнкт (1) «порождает» дизъюнкт (2), так как в правой части (1) есть литера С и эта же литера - в левой части (2). Аналогично дизъюнкт (2) «порождает» дизъюнкт (3). Если (3) неудачен, то в (2) выполнится отсечение: дизъюнкт (2) также считается неудачным, восстанавливается «родительская среда» (1), делается попытка найти альтернативное решение для В. Если бы (2) имело вид С: -D, Е. , то при неудаче в (3) была бы сделана попытка найти альтернативное решение для D.

В других случаях можетбыть необходимым продолжение поиска дополнительных решений, даже если целевое утверждение уже согласовано. В этих случаях можно использовать встроенный предикат fail.

Встроенный предикат fail не имеет аргументов. Он считается всегда ложным.

Пример: перебор всевозможных решений.

Программа 121

oc(cpm).

ос(msdos).

ос(unix).

печать-всех:-ос(X), write(X), fail.

?-печать-всех.

ОБРАБОТКА СПИСКОВ

На практике часто встречаются задачи, связанные с перечислением объектов. В некоторых случаях при решении задач важно сохранять информацию об уже сделанных шагах решения, чтобы их не повторять. Для решения таких задач в языке Пролог предусмотрены списки.

Список можно задать перечислением элементов. Например, имена учеников класса:

[саша,петя,дима,ксюша,лена].

Элементами списка могут быть не только атомы, но и функции, и вообще любые элементы, даже списки. Заранее длина списка не задается, и в ходе выполнения программы она может меняться.

Альтернативный способ задания списка использует понятия головы и хвоста списка.

Например, в списке [X | Y] Х - это голова списка. Y - его хвост.

Хвост списка по определению также является списком.

Теперь список может быть определен рекурсивно:

1) пустой список [] - список:

2) [X | Y] - список, если Y - список.

Определение списка через его голову и хвост в сочетании с рекурсией лежит в основе большого числа программ, оперирующих списками. Эти программы состоят

1) из факта, ограничивающего рекурсию и описывающего операцию для пустого списка;

2) из рекурсивного правила, определяющего операцию над списком, состоящим из головы и хвоста ( в голове правила), через операцию над хвостом (в подцели).

Пример I: определение числа элементов в списке.

Программа 122

сколько ([], 0).

сколько ([А|В], N) :- сколько (В, М), N is M+1.

?- сколько ([саша, игорь, лена]), X).

Ответ: Х=3.

Пример 2: принадлежность элемента списку.

Программа 123

принадлежит (X, [X | Y]).

принадлежит (X, [A |Y ]) : - принадлежит (X,Y).

?-принадлежит (4,(1,3,4,9]).

Ответ:да.

Данная программа имеет очень простой декларативный смысл: элемент принадлежит списку, если он является его головой или принадлежит хвосту списка.

Пример 3: соединение двух списков.

Эту задачу можно описать с помощью следующих предикатов:

а) ограничение рекурсии состоит в том, что если к пустому списку [ ] добавить список Р, то в результате получится Р;

б) рекурсия состоит в том, что можно список Р добавить к концу списка [X|Y], если Р будет добавлен к хвосту Y и затем присоединен к голове Х (при этом получается список [Х|Т]).

Программа 124

присоединить([ ], Р, Р).

присоединить([XIY], Р, [X | Т]):-присоединить(Y, Р, Т).

? присоединить(L,[джим.R],(джек,бил,джим,тим,джим,боб]).

Ответ:

L=[джек,бил]. К=[тим джим,боб]. L=[джек,бил,джим,тим]. R=[бoб].

Существует традиция использовать для обозначения предикатаслияния двух списков предикативный символ append (по-английски -добавить).

В некоторых случаях постановки вопросов к такого рода программам приходится использовать отсечение (!).

Программа 125

append([ ], L, L).

append([A I B] , C, [A | D]):- append(B, C, D).

?-append(X,Y,[1,2]).

Ответ:

X=[]

Y=[l,2]

X=[l]

Y=[2]

X=[l,2]

Y=[].

Если же заменить первое предложение на append([ ], 1,1):- !. и задать тот же вопрос, то получится правильный ответ:

Х=[]

Y=[l,2].

Пример 4. удаление элементов из списка.

Программа 126 аналогична проверке принадлежности элемента списку, но требует уже трехарного предиката, один аргумент которого указывает удаляемый элемент, второй аргумент-исходный список и третий - список-результат.

Программа 126

удал (X. [X I Y], Y) : - !.

удал (X. [Z I Y], [Z I W]) : - удал (X, Y, W) .

Декларативный смысл: если удаляемый элемент совпадает с головой списка, то результатом программы является хвост списка, иначе удаления производятся из хвоста списка.

Данная программа удаляет первое вхождение в список элемента, связанного с переменной X. Знак отсечения "!"в конце правила предотвращает последующий поиск и вывод лишних вариантов ответов после выполнения ограничительного факта.

Для удаления всех вхождений элемента Х программу надо дополнить:

удал (Х,[ ],[]).

удал (X, [X | Y], W) :- удал (X, Y, W).

удал (X, [Z I Y], W):- удал (X, Y, W).

Декларативный смысл программы таков: пока список не пуст, удалить элемент, если он совпадает с головой списка, значит, отбросить голову списка, а затем удалять его из оставшегося хвоста, иначе надо сразу удалять элемент из хвоста.

Пример 5: индексация элементов списка.

Смысл программы 127 состоит в том, чтобы получить элемент под номером N или узнать номер элемента X.

Программа 127

получить ([X | Y], 1, X).

получить ([W | Y], N, X) :- N is M+l, получить (Y, M, X).

Пример 6: поиск максимального элемента.

Программа 128

max ([X], X).

max ([X | Y], X) :- шах (Y, W), X>W, !.

max ([X | Y], W) :-max (Y, W).

Декларативный смысл программы: если в списке один элемент - он и является максимальным, если более одного, то это голова списка, если она больше максимального элемента хвоста, или максимальный элемент хвоста.

Пример 7: обращение списка.

Данная задача - самая сложная из рассмотренных. Для ее решения важно сообразить, что обратить список из одного элемента - означает оставить список без изменения. Обратить более длинный список - обратить его хвост, а потом сзади приставить к нему голову исходного списка.

Программа 129

обр ([X], [X]) .

обр ([X I Y], Z) :- обр (Y, W), присоединить (W, [X], Z).

В этой программе используется процедура слияния списков, описанная выше.

Arity-Prolog располагает значительным числом встроенных предикатов для обработки списков, так что приведенные программы имеют, в основном, учебный характер.