Области применения языков программирования

Код программы записывается для каждой формы и учитываются события

Объектно-ориентированные процедурно-событийные языки

Аппликативные языки

Процедурные языки

Код программы на процедурном языке может быть записан следующим образом:

оperator1; operator2; operator3;

Код программы на аппликативном языке может быть записан следующим образом:

function1(function2(function3(begining_date)));

3. Языки логического программирования

Код программы на языке системы правил может быть записан следующим образом:

if condition1 then operator1;if condition2 then operator2;if condition3 then operator3;

В настоящее время языки программирования применяются в самых различных областях человеческой деятельности, таких как:

· научные вычисления (языки C++, FORTRAN, Java);

· системное программирование (языки C++, Java);

· обработка информации (языки C++, COBOL, Java);

· искусственный интеллект (LISP, Prolog);

· издательская деятельность (Postscript, TeX);

· удаленная обработка информации (Perl, PHP, Java, C++);

· описание документов (HTML, XML).

С течением времени одни языки развивались, приобретали новые черты и остались востребованы, другие утратили свою актуальность и сегодня представляют в лучшем случае чисто теоретический интерес. В значительной степени это связано с такими факторами, как:

· наличие среды программирования, поддерживающей разработку приложений на конкретном языке программирования;

· удобство сопровождения и тестирования программ;

· стоимость разработки с применением конкретного языка программирования;

· четкость и ортогональность конструкций языка;

· применение объектно-ориентированного подхода.

Синтаксис языка описывает систему правил написания различных языковых конструкций, а семантика языка программирования определяет смысл этих конструкций. Синтаксис языка программирования может быть описан с помощью БНФ-нотаций.

Семантика языка взаимосвязана с используемой вычислительной моделью. В настоящее время языки программирования в зависимости от применяемой вычислительной модели делятся на четыре основные группы:

· Процедурные языки, которые представляют собой последовательность выполняемых операторов. Если рассматривать состояние ПК как состояние ячеек памяти, то процедурный язык – это последовательность операторов, изменяющих значение одной или нескольких ячеек. К процедурным языкам относятся FORTRAN, C, Ada, Pascal, Smalltalk и некоторые другие. Процедурные языки иногда также называются императивными языками. Код программы на процедурном языке может быть записан следующим образом:

оperator1; operator2; operator3;

· Аппликативные языки, в основу которых положен функциональный подход. Язык рассматривается с точки зрения нахождения функции, необходимой для перевода памяти ПК из одного состояния в другое. Программа представляет собой набор функций, применяемых к начальным данным, позволяющий получить требуемый результат. К аппликативным языкам относится язык LISP. Код программы на аппликативном языке может быть записан следующим образом:

· function1(function2(

· function3(beginning_date)));

· Языки системы правил, называемые также языками логического программирования, основываются на определении набора правил, при выполнении которых возможно выполнение определенных действий. Правила могут задаваться в виде утверждений и в виде таблиц решений. К языкам логического программирования относится язык Prolog.

Код программы на языке системы правил может быть записан следующим образом:

if condition1 then operator1;

if condition2 then operator2;

if condition3 then operator3;

· Объектно-ориентированные языки, основанные на построении объектов как набора данных и операций над ними. Объектно-ориентированные языки объединяют и расширяют возможности, присущие процедурным и аппликативным языкам. К объектно-ориентированным языкам относятся C++, Object Pascal, Java.

В настоящий момент наибольшее распространение получили языки, основанные на объектно-ориентированной модели. Они, реализуя процедурную модель построения языка, поддерживают аппликативность конструкций, позволяя представлять блок-схему выполнения структурированной программы как некоторый набор аппликативных функций.

Какой бы алгоритмический язык программирования Вы не выбрали, про него нельзя утверждать, что он - лучший язык «всех времен и народов», универсальный "решатель" любой задачи. На наш взгляд, для каждого языка существует свой класс задач, для решения которых он подходит лучше других языков программирования. Соответственно, для решения любой задачи есть оптимальный язык (языки) программирования. Многие задачи, хорошо решаемые императивными языками типа Паскаля и Си, плохо решаются на Прологе, и наоборот. Поэтому совсем даже неплохо, если человек владеет не одним инструментом решения задач, а может воспользоваться наиболее подходящим из имеющихся в его распоряжении. Поэтому имеет смысл дать сравнительную оценку наиболее популярных систем программирования.

Обзор языка программирования «Пролог»

В качестве основной методологии разработки программных средств для проекта ЭВМ пятого поколения было избрано логическое программирование, ярким представителем которого является язык Пролог. Думается, что и в настоящее время «Пролог» остается наиболее популярным языком искусственного интеллекта в Японии и Европе. В США, традиционно, более распространен другой язык искусственного интеллекта — язык функционального программирования «Лисп».

Название языка "Пролог" происходит от слов ЛОГическое ПРОграммирование (PROgrammation en LOGique во французском варианте и PROgramming in LOGic — в английском).

Пролог основывается на таком разделе математической логики, как исчисление предикатов. Точнее, его базис составляет процедура доказательства теорем методом резолюции для хорновских дизъюнктов. Программируя в императивном стиле, программист должен объяснить компьютеру, как нужно решать задачу. Противоположный ему стиль программирования, в частности стиль «ПРОЛОГ»а, — так называемый декларативный стиль, в котором программа представляет собой совокупность утверждений, описывающих фрагмент предметной области или сложившуюся ситуацию. Программируя в декларативном стиле, программист должен описать, что нужно решать.

Императивные языки основаны на фон неймановской модели вычислений компьютера. Решая задачу, императивный программист вначале создает модель в некоторой формальной системе, а затем переписывает решение на императивный язык программирования в терминах компьютера. Но, во-первых, для человека рассуждать в терминах компьютера довольно неестественно. Во-вторых, последний этап этой деятельности (переписывание решения на язык программирования) по сути дела не имеет отношения к решению исходной задачи. Очень часто императивные программисты даже разделяют работу в соответствии с двумя описанными выше этапами. Одни люди, постановщики задач, придумывают решение задачи, а другие, кодировщики, переводят это решение на язык программирования. В основе декларативных языков лежит формализованная человеческая логика.

Особенность языка «Пролог»

Человек лишь описывает решаемую задачу, а поиском решения занимается система программирования. В итоге получаем значительно большую скорость разработки приложений, значительно меньший размер исходного кода, легкость записи знаний на декларативных языках, более понятные, по сравнению с императивными языками, программы.

Известна классификация языков программирования по их близости либо к машинному языку, либо к естественному человеческому языку. Те, что ближе к компьютеру, относят к языкам низкого уровня, а те, что ближе к человеку, называют языками высокого уровня. В этом смысле декларативные языки можно назвать языками сверхвысокого или наивысшего уровня, поскольку они очень близки к человеческому языку и человеческому мышлению.

Области применения, где наилучшим образом проявил себя «Пролог»:

· быстрая разработка прототипов прикладных программ;

· автоматический перевод с одного языка на другой;

· создание естественно-языковых интерфейсов для существующих систем;

· символьные вычисления для решения уравнений, дифференцирования и интегрирования;

· проектирование динамических реляционных баз данных;

· экспертные системы и оболочки экспертных систем;

· автоматизированное управление производственными процессами;

· автоматическое доказательство теорем;

· полуавтоматическое составление расписаний;

· системы автоматизированного проектирования;

· базирующееся на знаниях программное обеспечение;

· организация сервера данных или, точнее, сервера знаний, к которому может обращаться клиентское приложение, написанное на каком-либо языке программирования.

Области, для которых Пролог не предназначен: большой объем арифметических вычислений (обработка аудио, видео и т.д.); написание драйверов.

Говорят, что задана некая формальная система F, если определены:

1. алфавит системы — счетное множество символов;
2. формулы системы — некоторое подмножество всех слов, которые можно образовать из символов, входящих в алфавит (обычно задается процедура, позволяющая составлять формулы из символов алфавита системы);
3. аксиомы системы — выделенное множество формул системы;
4. правила вывода системы — конечное множество отношений между формулами системы.

Зададим логику первого порядка (или логику предикатов), на которой основывается «Пролог». Язык логики предикатов — один из формальных языков, наиболее приближенных к человеческому языку.

Алфавит логики первого порядка составляют следующие символы:

1. переменные (будем обозначать их последними буквами английского алфавита u, v, x, y, z);
2. константы (будем обозначать их первыми буквами английского алфавита a, b, c, d);
3. функциональные символы (используем для их обозначения ближние буквы f и g);
4. предикатные символы (обозначим их дальними буквами p, q и r);
5. пропозициональные константы истина и ложь (true и false);
6. логические связки ¬ (отрицание), (конъюнкция), (дизъюнкция), (импликация);
7. кванторы: Ǝ (существования), ∀ (всеобщности);
8. вспомогательные символы (,),,.

Всякий предикатный и функциональный символ имеет определенное число аргументов. Если предикатный (функциональный) символ имеет n аргументов, он называется n-местным предикатным (функциональным) символом.

Термом будем называть выражение, образованное из переменных и констант, возможно, с применением функций, а точнее:

1. всякая переменная или константа есть терм;

2. если t₁,...,t_n — термы, а f — n-местный функциональный символ, то f(t₁,...,t_n) -терм;

3. других термов нет.

По сути дела, все объекты в программе на Прологе представляются именно в виде термов.

Если терм не содержит переменных, то он называется основным или константным термом.

Атомная или элементарная формула получается путем применения предиката к термам, точнее, это выражение p (t₁,...,t _n), где p — n-местный предикатный символ, а t₁,...,t_n — термы.

Формулы логики первого порядка получаются следующим образом:

1. всякая атомная формула есть формула;

2. если A и B — формулы, а x — переменная, то выражение: ¬A (читается "не A" или "отрицание A"), A&B или A B (читается "A и B"); запись: A ۷ B (читается "A или B"), запись: A →B, - читается: "A влечет B"), Ǝх(читается "для некоторого x" или "существует x") и ∀х(читается "для любого x" или "для всякого x") – формулы;

3. других формул нет.

Лекция 6. Основы написания программ на языке «Пролог»

Данная лекция посвящена базовым понятиям языка «Пролог». Начнем с того, что познакомимся с так называемой нормальной формой Бэкуса-Наура (БНФ), разработанной в 1960 г. Джоном Бэкусом и Питером Науром и используемой для формального описания синтаксиса языков программирования. Впервые БНФ была применена Питером Науром при записи синтаксиса языка Алгол-60.

При описании синтаксиса конструкций используются следующие обозначения:

Символ ::= читается как "по определению" ("это", "есть"). Слева от разделителя располагается объясняемое понятие, справа - конструкция, разъясняющая его. Например,

<Имя>::= <Идентификатор>

В угловые скобки заключается часть выражения, которая используется для обозначения синтаксической конструкции языка, в частности объясняемое понятие. В приведенном выше примере это <Имя> и <Идентификатор>.

Символ | означает в нотации БНФ "или", он применяется для разделения различных альтернативных растолкований определяемого понятия.

Пример. Десятичную цифру можно определить следующим образом:

<цифра>::= 0|1|2|3|4|5|6|7|8|9

Часть синтаксической конструкции, заключенная в квадратные скобки, является необязательной (может присутствовать или отсутствовать);

Пример. Запись

<Целое число>::= [-]<Положительное целое число>

означает, что целое число можно определить через положительное целое число, перед которым может стоять знак минус.

Символ * обозначает, что часть синтаксической конструкции может повторяться произвольное число раз (ноль и более). Заметим, что иногда вместо символа * используют фигурные скобки ({,}).

Пример. Определить положительное целое число в нотации БНФ можно следующим образом:

<Положительное целое число>::= <цифра>[<цифра>]*

То есть положительное целое число состоит из одной или нескольких цифр.

Программа на языке «Пролог», её иногда называют базой знаний, состоит из предложений (или утверждений), каждое предложение заканчивается точкой.

Предложения бывают двух видов: факты, правила.

Предложение имеет вид

A:-

B1,..., Bn.

«A» называется заголовком или головой предложения, а «B1,..., Bn» - телом.

Факт констатирует, что между объектами выполнено некоторое отношение. Он состоит только из заголовка. Можно считать, что факт - это предложение, у которого тело пустое.

Например, известный нам факт, что Наташа является мамой Даши, может быть записан в виде:

мама(Наташа, Даша).

Факт представляет собой безусловно истинное утверждение. В математической логике отношения принято называть предикатами. Если воспользоваться нормальной формой Бэкуса-Наура, то предикат можно определить следующим образом:

<Предикат>::=<Имя> | <Имя>(<аргумент>[,<аргумент>]*),

т.е. предикат состоит либо только из имени, либо из имени и следующей за ним последовательности аргументов, заключенной в скобки.

Аргументом или параметром предиката может быть константа, переменная или составной объект. Число аргументов предиката называется его арностью или местностью. Про переменные мы поговорим чуть-чуть позже, а подробное рассмотрение констант отложим до пятой лекции. Пока отметим, что константа получает свое значение в разделе описания констант, а переменная получает значение в процессе работы программы.

В Турбо Прологе имя предиката должно состоять из последовательности латинских букв, цифр, знаков подчеркивания и начинаться с буквы или знака подчеркивания. В других версиях Пролога имя предиката может содержать символы не только из английского алфавита, но и из национального, например, из русского.

Соответственно, приведенный выше пример факта можно записать в Турбо Прологе, например, так:

mother("Наташа", "Даша").

Некоторые предикаты уже известны системе, они называются стандартными или встроенными.

В Турбо Прологе предложения с одним и тем же предикатом в заголовке должны идти одно за другим. Такая совокупность предложений называется процедурой.

В приведенном выше примере про то, что Наташа является мамой Даши, мама - это имя двухаргументного предиката, у которого строковая константа "Наташа" является первым аргументом, а строковая константа "Даша" - вторым.

Правило - это предложение, истинность которого зависит от истинности одного или нескольких предложений. Обычно правило содержит несколько хвостовых целей, которые должны быть истинными для того, чтобы правило было истинным.

В нотации БНФ правило будет иметь вид:

<Правило>::=<предикат>:-<предикат>[,<предикат>]*.

Пример. Известно, что бабушка человека - это мама его мамы или мама его па-пы. Соответствующие правила будут иметь вид:

Бабушка (X,Y):-

мама (X,Z), мама (Z,Y).

Бабушка (X,Y):-

Мама (X,Z), папа (Z,Y).

Символ ":-" означает "если", и вместо него можно писать if.

Символ "," - это логическая связка "и" или конъюнкция, вместо него можно пи-сать and.

Первое правило сообщает, что X является бабушкой Y, если существует такой Z, что X является мамой Z, а Z - мамой Y. Второе правило сообщает, что X является бабушкой Y, если существует такой Z, что X является мамой Z, а Z - папой Y. В данном примере X, Y и Z - это переменные. Имя переменной в Турбо Прологе может состоять из букв латинского алфавита, цифр, знаков подчеркивания и должно начинаться с прописной буквы или знака подчеркивания. При этом переменные в теле правила неявно связаны квантором всеобщности. Переменная в Прологе, в отличие от алгоритмических языков программирования, обозначает объект, а не некоторую область памяти. Пролог не поддерживает механизм деструктивного присваивания, позволяющий изменять значение инициализированной переменной, как императивные языки.

Переменные могут быть свободными или связанными.

Свободная переменная - это переменная, которая еще не получила значения. Она не равняется ни нулю, ни пробелу; у нее вообще нет никакого значения. Такие переменные еще называют неконкретизированными.

Переменная, которая получила какое-то значение и оказалась связанной с определенным объектом, называется связанной. Если переменная была конкретизирована каким-то значением и ей сопоставлен некоторый объект, то эта переменная уже не может быть изменена.

Областью действия переменной в Прологе является одно предложение. В разных предложениях может использоваться одно имя переменной для обозначения разных объектов. Исключением из правила определения области действия является анонимная переменная, которая обозначается символом подчеркивания "_". Анонимная переменная применяется в случае, когда значение переменной не важно. Каждая анонимная переменная - это отдельный объект.

Третьим специфическим видом предложений Пролога можно считать вопросы. Вопрос состоит только из тела и может быть выражен с помощью БНФ в виде:

<Вопрос>::=<Предикат>[,<Предикат>]*

Вопросы используют для выяснения выполнимости некоторого отношения между описанными в программе объектами. Система рассматривает вопрос как цель, к которой надо стремиться. Ответ на вопрос может оказаться положительным или отрицательным, в зависимости от того, может ли быть достигнута соответствующая цель.

Программа на Прологе может содержать вопрос в программе (так называемая внутренняя цель). Если программа содержит внутреннюю цель, то после запуска программы на выполнение система проверяет достижимость заданной цели.

Если внутренней цели в программе нет, то после запуска программы система выдает приглашение вводить вопросы в диалоговом режиме (внешняя цель). Программа, компилируемая в исполняемый файл, обязательно должна иметь внутреннюю цель.

Если цель достигнута, система отвечает, что у нее есть информация, позволяющая сделать вывод об истинности вопроса ("Yes"). При этом если в вопросе содержатся переменные, то система либо выдает их значения, приводящие к решению, если решение существует, либо сообщает, что решений нет ("No solution"). Если достичь цели не удалось, система ответит, что у нее нет положительного ответа ("No").

Следует заметить, что ответ "No" на вопрос не всегда означает, что отношение, о котором был задан вопрос, не выполняется. Система может дать такой ответ и в том случае, когда у нее просто нет информации, позволяющей положительно ответить на вопрос.

Можно сказать, что утверждение - это правило, а факт или вопрос - это его частный случай.

Рассмотрим несколько примеров. Пусть в программе заданы следующие отношения:

мама("Наташа","Даша").

мама("Даша","Маша").

Можно спросить у системы, является ли Наташа мамой Даши. Этот вопрос можно ввести в виде:

мама("Наташа","Даша")

Найдя соответствующий факт в программе, система ответит "Yes" (то есть "Да"). Если мы спросим:

мама("Наташа","Маша")

то получим ответ "No" (то есть "Нет"). Можно также попросить вывести имя мамы Даши:

мама(X,Даша).

Система сопоставит вопрос с первым фактом, конкретизирует перемен-ную X значением "Наташа" и выдаст ответ:

X=Наташа

1 Solution

Вопрос об имени дочери Наташи записывается в виде:

мама(Наташа,X).

Соответствующим ответом будет:

X=Даша

1 Solution

Можно попросить систему найти имена всех известных ей мам и дочек, задав вопрос:

мама(X,Y).

Система последовательно будет пытаться согласовывать вопрос с имеющимися в программе предложениями от первого до последнего. В случае успешной унификации соответствующих термов переменная X будет означена именем матери, а переменная Y - именем ее дочери.

В итоге получим ответ:

X=Наташа Y=Даша

X=Даша Y=Маша

2 solutions

Если надо получить только имена всех мам, можно воспользоваться анонимной переменной и записать вопрос:

мама(X,_).

Получим ответ:

X=Наташа

X=Даша

2 solutions

И, наконец, если надо получить ответ на вопрос: есть ли информация о людях, находящихся в отношении "мама - дочка", то его можно сформулировать в виде:

мама(_,_),

В данном случае нам не важны конкретные имена, а интересует, есть ли в нашей базе знаний хотя бы один соответствующий факт. Ответом в данном случае будет просто "Yes". Система сообщит о том, что у нее есть информация об объектах, связанных отношением "мама".

Введем в нашу программу правило, определяющее отношение "бабушка - внучка", в терминах "быть мамой":

бабушка(X,Y):-

мама(X,Z),

мама(Z,Y).

По сути дела здесь записано, что один человек является бабушкой другого, если это он является мамой его мамы. Конечно, для полноты картины не помешает записать еще и второе правило, которое говорит, что бабушка - это мама папы, если в программу добавить факты еще и про пап.

Заметим, что в нашей программе нет ни одного факта, связанного с отношением бабушка. Тем ни менее, система оказывается способна найти ответы на вопросы о бабушках, пользуясь введенными фактами и правилом. Например, если нас интересует, чьей бабушкой является Наташа, то мы можем записать этот вопрос следующим образом:

бабушка("Наташа",X).

Для того чтобы найти ответ на вопрос, система просмотрит нашу базу сверху вниз, пытаясь найти предложение, в заголовке которого стоит предикат бабушка. Найдя такое предложение (это предложение бабушка(X,Y):-мама(X,Z),мама(Z,Y)), система конкретизирует переменную из заголовка предложения X именем "Наташа", переменную Y с переменной X из вопроса, после чего попытается достигнуть цели: мама("Наташа",Z) и мама(Z,Y). Для этого она просматривает базу знаний в поиске предложения, заголовок которого можно сопоставить с предикатом мама("Наташа",Z).

Это можно сделать, конкретизировав переменную Z именем "Даша". Затем система ищет предложение, в заголовке которого стоит предикат мама с первым аргументом "Даша" и каким-то именем в качестве второго аргумента. Подходящим предложением оказывается факт мама("Даша","Маша"). Система установила, что обе подцели мама("Наташа",Z) и мама(Z,Y) достижимы при Z="Даша", Y="Маша". Она выдает ответ:

X=Маша

Напомним, что наша переменная X из вопроса была связана с переменной Y из правила. После этого, если есть такая возможность, система пытается найти другие решения, удовлетворяющие вопросу. Однако в данном случае других решений нет.

Вообще говоря, цель может быть согласована, если она сопоставляется с заголовком какого-либо предложения. Если сопоставление происходит с фактом, то цель согласуется немедленно. Если же сопоставление происходит с заголовком правила, то цель согласуется только тогда, когда будет согласована каждая подцель в теле этого правила, после вызова ее в качестве цели. Подцели вызываются слева направо. Поиск подходящего для сопоставления предложения ведется с самого начала базы. Если подцель не допускает сопоставления, то система совершает возврат для попытки повторного согласования подцели. При попытке повторного согласования система возобновляет просмотр базы с предложения, непосредственно следующего за тем, которое обеспечивало согласование цели ранее.

В программе на Прологе важен порядок предложений внутри процедуры, а также порядок хвостовых целей в теле предложений. От порядка предложений зависит порядок поиска решений и порядок, в котором будут находиться ответы на вопросы. Порядок целей влияет на количество проверок, выполняемых программой при решении.

Пример. Давайте создадим предикат, который будет находить максимум из двух чисел. У предиката будет три аргумента. Первые два аргумента - входные для исходных чисел, в третий выходной аргумент будет помещен максимум из первых двух аргументов.

Предикат будет довольно простым. Мы запишем, что в случае, если первое число больше второго, максимальным будет первое число, в случае, если первое число меньше, максимумом будет второе число. Надо также не забыть про ситуацию, когда числа равны, в этом случае максимумом будет любое из них.

Решение можно записать в следующем виде:

max(X,Y,X):-

X>Y. /* если первое число больше второго,

то первое число - максимум */

max(X,Y,Y):-

X<Y. /* если первое число меньше второго,

то второе число - максимум */

max(X,Y,Y):-

X=Y. /* если первое число равно второму,

возьмем в качестве максимума

второе число */

Последнее предложение можно объединить со вторым или третьим в одно предложение. Тогда процедура будет состоять не из трех предложений, а всего из двух:

max(X,Y,X):-

X>Y. /* если первое число больше второго,

то первое число - максимум */

max(X,Y,Y):-

X<=Y./* если первое число меньше или равно

второму, возьмем в качестве максимума второе число */

Однако полученная процедура еще далека от совершенства. С одной стороны, в случае, когда первое проверяемое условие (X>Y) не выполнено, будет проверяться второе условие (X<=Y), хотя понятно, что если не выполнено X>Y, значит X<=Y. С другой стороны, в случае, если первое условие имело место и первое число оказалось больше второго, Пролог-система свяжет третий аргумент предиката max с первым аргументом, после чего попытается сопоставить второе предложение. Хотя нам очевидно, что после того, как максимум определён, не нужно больше ничего делать. Других вариантов в данной ситуации просто не может быть. И, значит, проверка второго условия избыточна.

В данной ситуации нам пригодится встроенный предикат, который по-английски называется cut, по-русски - отсечение, а в программе на Прологе он обозначается восклицательным знаком "!". Этот предикат предназначен для ограничения пространства поиска, с целью повышения эффективности работы программ. Он всегда завершается успешно. После того, как до него дошла очередь, он устанавливает "забор", который не дает "откатиться назад", чтобы выбрать альтернативные решения для уже "сработавших" подцелей. То есть для тех, которые расположены левее отсечения. На цели, расположенные правее, отсечение не влияет. Кроме того, отсечение отбрасывает все предложения процедуры, расположенные после предложения, в котором находится отсечение.

С использованием отсечения наше решение будет еще короче:

max2(X,Y,X):-

X>Y,!./* если первое число больше второго,

то первое число - максимум */

max2(_,Y,Y). /* в противном случае максимумом будет

второе число */

В случае, если сработает отсечение, а это возможно, только если окажется истинным условие X>Y, Пролог-система не будет рассматривать альтернативное второе предложение. Второе предложение "сработает" только в случае, если условие оказалось ложным. В этой ситуации в третий аргумент попадет то же значение, которое находилось во втором аргументе. Обратите внимание, что в этом случае нам уже не важно, чему равнялся первый аргумент, и его можно заменить анонимной переменной.

Все случаи применения отсечения принято разделять на "зеленые" и "красные". Зелеными называются те из них, при отбрасывании которых программа продолжает выдавать те же решения, что и при наличии отсечения. Если же при устранении отсечений программа начинает выдавать неправильные решения, то такие отсечения называются красными.

Пример "красного" отсечения имеется в реализации предиката max2 (если убрать отсечение, предикат будет выдавать в качестве максимума второе число, даже если оно меньше первого). Пример "зеленого" отсечения можно получить, если в запись предиката max добавить отсечения (при их наличии предикат будет выдавать те же решения, что и без них).

В принципе, с помощью отсечения в Прологе можно смоделировать такую конструкцию императивных языков, как ветвление.

Процедура

S:-

<условие>,!,P.

S:-

P2.

будет соответствовать оператору if <условие> then P else P2, то есть если условие имеет место, то выполнить P, иначе выполнить P2. Например, в случае с максимумом, можно расшифровать нашу процедуру как "если X>Y, то M=X, иначе M=Y".

Пример. Теперь напишем предикат, который будет находить максимум не из двух чисел, а из трех. У него будет уже четыре параметра. Первые три - входные для сравниваемых чисел, а четвертый - выходной параметр для их максимума.

Подходов к решению этой задачи может быть несколько.

Первое, что приходит в голову, это решить задачу по аналогии с нахождением максимума из двух чисел. Вариант без отсечения будет выглядеть так:

max3a(X,Y,Z,X):-

X>=Y,X>=Z.

/* если первое число больше или равно второму

и третьему, то первое число - максимум */

max3a(X,Y,Z,Y):-

Y>=X,Y>=Z.

/* если второе число больше или равно первому

и третьему, то второе число является

максимумом */

max3a(X,Y,Z,Z):-

Z>=X,Z>=Y.

/* если третье число больше или равно первому

и второму, то максимум - это третье число */

Недостаток этой программы, кроме ее длины, еще и в том, что если какие-то из исходных чисел окажутся равными, мы получим несколько одинаковых решений. Например, если все три числа совпадают, то каждое из трех правил будет истинным и, соответственно, мы получим три одинаковых, хотя и правильных ответа.

Применение отсечения позволит существенно сократить решение:

max3b(X,Y,Z,X):-

X>Y,X>Z,!.

/* если первое число больше второго и третьего,

то первое число - максимум */

max3b(_,Y,Z,Y):-

Y>=Z,!.

/* иначе, если второе число больше третьего,

то второе число является максимумом */

max3b(_,_,Z,Z). /* иначе максимум - это третье число */

Число сравнений значительно сократилось за счет того, что отсечение в первом правиле гарантирует нам, что на второе правило, мы попадем только в том случае, если первое число не больше второго и третьего. В этой ситуации максимум следует искать среди второго и третьего чисел. Если ни первое, ни второе число не оказались больше третьего, значит, в качестве максимума можно взять как раз третье число, уже ничего не проверяя. Обратите внимание на то, что во втором правиле нам было не важно, чему равно первое число, а в третьем предложении участвовало только третье число. Не участвующие параметры заменены анонимными переменными.

И, наконец, самое короткое решение можно получить, если воспользоваться уже имеющимся предикатом max2. Решение будет состоять всего из одного предложения.

max3(X,Y,Z,M):-

max2(X,Y,XY), /* XY - максимум из X и Y */

max2(XY,Z,M). /* M - максимум из XY и Z */

Мы записали, что для того, чтобы найти максимум из трех чисел, нужно найти максимум из первых двух чисел, после чего сравнить его с третьим числом.

Семантические модели Пролога

В Прологе обычно применяются две семантические модели: декларативная и процедурная. Семантические модели предназначены для объяснения смысла программы.

В декларативной модели рассматриваются отношения, определенные в программе. Для этой модели порядок следования предложений в программе и условий в правиле не важен.

Процедурная модель рассматривает правила как последовательность шагов, которые необходимо успешно выполнить для того, чтобы соблюдалось отношение, приведенное в заголовке правила.

Множество предложений, имеющих в заголовке предикат с одним и тем же именем и одинаковым количеством аргументов, трактуются как процедура. Для процедурной модели важен порядок, в котором записаны предложения и условия в предложениях.

При написании программы на Прологе кажется логичным в первую очередь рассматривать декларативную семантику, однако и о процедурной не стоит забывать, особенно в том случае, когда программа не работает или работает не совсем так, как предполагалось.

Следует заметить, что в некоторых случаях использование отсечения может привести к изменению декларативного смысла.

Самостоятельные задания

1. Создайте предикат, находящий максимум из четырех чисел.

2. Создайте предикат, проверяющий, являются ли два человека

• сестрами;
• братьями;
• дедушкой и внуком (внучкой);
• дядей и племянником (племянницей);
• супругами;
• родственниками.

3. Создайте предикат, находящий длину гипотенузы прямоугольного треугольника по длинам катетов.

Лекция 7. Рекурсия. Достоинства и недостатки рекурсии.

Хвостовая рекурсия.

Организация циклов на основе рекурсии. Вычисление факториала.

В отличие от традиционных языков программирования, в которых основным средством организации повторяющихся действий являются циклы, в Прологе для этого используются процедура поиска с возвратом (откат) и рекурсия. Откат дает возможность получить много решений в одном вопросе к программе, а рекурсия позволяет использовать в процессе определения предиката его самого. При изучении рекурсии частенько вспоминается случай с бароном Мюнхгаузеном, который сам себя за волосы вытаскивал из болота.

Заметим, что рекурсию используют не только в Прологе, но и в обычных императивных языках программирования. Но для Пролога, в отличие от императивных языков, рекурсия является основным приемом программирования. Более того, Пролог позволяет определять рекурсивные структуры данных. Работе с ними будет посвящено несколько лекций нашего курса. Начнем изучение рекурсии в Прологе с классического примера. Предположим, что в базе знаний есть набор фактов, описывающий родственные связи людей через отношение "быть родителем". Предикат родитель имеет два аргумента. В качестве его первого аргумента указывается имя родителя, в качестве второго - имя ребенка. Мы хотим создать отношение "быть предком", используя предикат родитель. Для того чтобы один человек был предком другого человека, нужно, чтобы он либо был его родителем, либо являлся родителем другого его предка. Запишем эту идею:

Предок (Предок, Потомок):- Родитель (Предок, Потомок), /* предком является родитель */ Предок (Предок, Потомок):- Родитель (Предок, Человек), Предок (Человек, Потомок). /* предком является родитель предка */

Отношение предок является транзитивным замыканием отношения родитель, то есть это наименьшее отношение, включающее отношение родитель и обладающее свойством транзитивности. Напомним, что отношение называется транзитивным, если для любых пар (А,В) и (В,С), находящихся в этом отношении, пара (А,С) также находится в этом отношении. Очевидно, что отношение предок содержит отношение родитель. Это следует из первого предложения, в котором записано, что всякий родитель является предком. Второе предложение дает транзитивность.

По аналогии с математической индукцией, на которую рекурсия немного похожа, любая рекурсивная процедура должна включать в себя базис и шаг рекурсии.

Базис рекурсии - это предложение, определяющее некую начальную ситуацию или ситуацию в момент прекращения. Как правило, в этом предложении записывается некий простейший случай, при котором ответ получается сразу даже без использования рекурсии. Так, в приведенной выше процедуре, описывающей предикат предок, базисом рекурсии является первое правило, в котором определено, что ближайшими предками человека являются его родители. Это предложение часто содержит условие, при выполнении которого происходит выход из рекурсии или отсечение.

Шаг рекурсии - это правило, в теле которого обязательно содержится, в качестве подцели, вызов определяемого предиката. Если мы хотим избежать зацикливания, определяемый предикат должен вызываться не от тех же параметров, которые указаны в заголовке правила. Параметры должны изменяться на каждом шаге так, чтобы в итоге либо сработал базис рекурсии, либо условие выхода из рекурсии, размещенное в самом правиле. В общем виде правило, реализующее шаг рекурсии, будет выглядеть так:

<имя определяемого предиката>:- [<подцели>], [<условие выхода из рекурсии>], [<подцели>], <имя определяемого предиката>, [<подцели>].

В некоторых ситуациях предложений, реализующих базис рекурсии, и предложений, описывающих шаг рекурсии, может быть несколько. Как правило, это бывает в сложных случаях, например, когда выполняемые в процессе реализации шага рекурсии действия зависят от выполнения или невыполнения какого-либо условия. Такие задачи встретятся нам в последующих лекциях, когда речь пойдет об обработке рекурсивных структур данных. В этой же лекции мы будем иметь дело в основном с простыми случаями рекурсии, когда рекурсивная процедура имеет один базис и один шаг рекурсии.

Пример. Создадим предикат, который будет вычислять по натуральному числу его факториал. Эта задача допускает рекурсивное решение на многих языках программирования, а также имеет рекурсивное математическое описание:

1!=1 /* факториал единицы равен единице */N!=(N-1)!*N /* для того, чтобы вычислить факториал некоторого числа, нужно вычислить факториал числа на единицу меньшего и умножить его на исходное число */

Попробуем записать реализацию предиката, эквивалентную математическому определению предиката:

fact (1,1). /* факториал единицы равен единице */

fact(N,F):-

N>1, /* убедимся, что число больше единицы */

N1=N-1,

fact(N1,F1), /* F1 равен факториалу числа,

на единицу меньшего исходного

числа */

F=F1*N. /* факториал исходного числа равен

произведению F1 на само число */

В этом случае, хотя и произойдет повторное согласование цели fact(1,F1) с заголовком правила, и переменная N будет конкретизирована единицей, а переменная F связана с переменной F1, первая подцель правила (N>1) будет ложной. На этом процесс оборвется. Попытки вычислять факториал на неположительных числах не произойдет.

Второй вариант решения проблемы останова выполнения программы - добавить в первое предложение процедуры отсечение. Напомним, что вызов отсечения приводит к тому, что предложения процедуры, расположенные ниже той, из которой оно было вызвано, не рассматриваются. И, соответственно, после того, как какая-то цель будет согласована с заголовком первого предложения, сработает отсечение, и попытка унифицировать цель с заголовком второго предложения не будет предпринята. Процедура в этом случае будет выглядеть так:

fact(1,1):-!. /* условие останова рекурсии */fact(N,F):- N1=N-1, fact(N1,F1), /* F1 равен факториалу числа, на единицу меньшего исходного числа */ F=F1*N. /* факториал исходного числа равен произведению F1 на само число */

Конечно, с одной стороны, метод рекурсии имеет свои преимущества перед методом итерации, который используется в императивных языках программирования намного чаще. Рекурсивные алгоритмы, как правило, намного проще с логической точки зрения, чем итерационные. Некоторые алгоритмы удобно записывать именно рекурсивно.

С другой стороны, рекурсия имеет большой недостаток: ей, вообще говоря, может не хватать для работы стека.

Есть, правда, один вариант рекурсии, который использует практически столько же оперативной памяти, сколько итерация в императивных языках программирования

Это так называемая хвостовая или правая рекурсия. Для ее осуществления рекурсивный вызов определяемого предиката должен быть последней подцелью в теле рекурсивного правила и к моменту рекурсивного вызова не должно остаться точек возврата (непроверенных альтернатив). То есть у подцелей, расположенных левее рекурсивного вызова определяемого предиката, не должно оставаться каких-то непроверенных вариантов и у процедуры не должно быть предложений, расположенных ниже рекурсивного правила. Турбо Пролог, на который мы ориентируемся в нашем курсе, распознает хвостовую рекурсию и устраняет связанные с ней дополнительные расходы. Этот процесс называется оптимизацией хвостовой рекурсии или оптимизацией последнего вызова.

Пример. Попробуем реализовать вычисление факториала с использованием хвостовой рекурсии. Для этого понадобится добавить два дополнительных параметра, которые будут использоваться нами для хранения промежуточных результатов. Третий параметр нужен для хранения текущего натурального числа, для которого вычисляется факториал, четвертый параметр - для факториала числа, хранящегося в третьем параметре.

Запускать вычисление факториала мы будем при первом параметре равном числу, для которого нужно вычислить факториал. Третий и четвертый аргументы будут равны единице. Во второй аргумент по завершении рекурсивных вычислений должен быть помещен факториал числа, находящегося в первом параметре. На каждом шаге будем увеличивать третий аргумент на единицу, а второй аргумент умножать на новое значение третьего аргумента. Рекурсию нужно будет остановить, когда третий аргумент сравняется с первым, при этом в четвертом аргументе будет накоплен искомый факториал, который можно поместить в качестве ответа во второй аргумент.

Вся процедура будет выглядеть следующим образом:

fact2(N,F,N,F):-!. /* останавливаем рекурсию, когда третий

аргумент равен первому*/

fact2(N,F,N1,F1):-

N2=N1+1, /* N2 - следующее натуральное число

после числа N1 */

F2=F1*N2, /* F2 - факториал N2 */

fact2(N,F,N2,F2).

/* рекурсивный вызов с новым натуральным

числом N2 и соответствующим ему

посчитанным факториалом F2 */

Остановить рекурсию можно, воспользовавшись отсечением в базисе рекурсии, как это было сделано выше, или добавив в начало второго предложения сравнение N1 с N.

Если мы решим, что вызывать предикат с четырьмя аргументами неудобно, можно ввести дополнительный двухаргументный предикат, который будет запускать исходный предикат:

factM(N,F):-

fact2(N,F,1,1). /* вызываем предикат с уже

заданными начальными

значениями */

Пример. В предыдущей лекции мы записали аналог императивного ветвления, воспользовавшись отсечением. Теперь напишем, используя рекурсию и отсечение, реализацию цикла с предусловием. Обычно этот цикл выглядит примерно так: while <условие> do P. Это соответствует текстовому описанию "пока имеет место <условие>, выполнять P". На Прологе подобную конструкцию можно записать следующим образом:

w:-

<условие>, p, w.

w:-!.

Пример. Еще одна классическая задача, имеющая рекурсивное решение, связна с вычислением так называемых чисел Фибоначчи. Числа Фибоначчи можно определить так: первое и второе числа равны единице, а каждое последующее число является суммой двух предыдущих. Соответственно, третье число Фибоначчи будет равно двум, четвертое равно трем (сумма второго числа (один) и третьего числа (два)), пятое - пяти (сумма третьего и четвертого чисел, то есть двух и трех), шестое - восьми (сумма четвертого и пятого, трех и пяти) и т.д.

Базисов рекурсии в данном случае два. Первый будет утверждать, что первое число Фибоначчи равно единице. Второй базис - аналогичное утверждение про второе число Фибоначчи. Шаг рекурсии также будет необычным, поскольку будет опираться при вычислении следующего числа Фибоначчи не только на предшествующее ему число, но и на предшествующее предыдущему числу. В нем будет сформулировано, что для вычисления числа Фибоначчи с номером N сначала нужно вычислить и сложить числа Фибоначчи с номерами N-1 и N-2.

Записать эти рассуждения можно так:

fib(1,1):-!. /* первое число Фибоначчи равно единице */

fib(2,1):-!. /* второе число Фибоначчи равно единице */

fib(N,F):-

N1=N-1, fib(N1,F1), /* F1 это N-1-е число Фибоначчи */

N2=N-2, fib(N2,F2), /* F2 это N-2-е число Фибоначчи */

F=F1+F2. /* N-е число Фибоначчи равно сумме

N-1-го и N-2-го чисел Фибоначчи */

Обратите внимание на отсечение в первых двух предложениях. Оно служит для остановки рекурсии, чтобы при прямом ходе рекурсии не произошло выхода из области натуральных чисел (номеров чисел Фибоначчи) в область отрицательных чисел, как это происходило у нас в первой версии предиката, вычисляющего факториал.

Вместо этих двух отсечений от зацикливания можно избавиться путем добавления в начало правила, реализующего шаг рекурсии, проверки значения, находящегося в первом параметре предиката (N>2). Это условие в явном виде указывает, что рекурсивное правило применяется для вычисления чисел Фибоначчи, начиная с третьего.

Но надо сказать, что хотя наше решение получилось ясным и прозрачным, довольно точно соответствующим определению чисел Фибоначчи, оно, тем не менее, весьма неэффективное. При вычислении N-1-го числа Фибоначчи F1 вычисляются все предыдущие числа Фибоначчи, в частности, N-2-е число Фибоначчи F2. После этого заново начинает вычисляться N-2-е число Фибоначчи, которое уже было вычислено. Мало того, опять вычисляются все предыдущие числа Фибоначчи. Получается, что для вычисления числа Фибоначчи используется количество рекурсивных вызовов предиката fib, равное искомому числу Фиббоначи.

Давайте попробуем повысить эффективность вычисления чисел Фибоначчи. Будем искать сразу два числа Фибоначчи: то, которое нам нужно найти, и следующее за ним. Соответственно, предикат будет иметь третий дополнительный аргумент, в который и будет помещено следующее число. Базис рекурсии из двух предложений сожмется в одно, утверждающее, что первые два числа Фибоначчи равны единице. Вот как будет выглядеть этот предикат:

fib_fast(1,1,1):-!. /* первые два числа Фибоначчи равны

единице */

fib_fast(N,FN,FN1):-

N1=N-1,fib_fast(N1,FN_1,FN),

/* FN_1 это N-1-е число

Фибоначчи, FN это N-е число Фибоначчи */

FN1=FN+FN_1. /* FN1 это N+1-е число Фибоначчи */

Несмотря на то, что предикат fib_fast находит, в отличие от предиката fib, не одно число Фибоначчи, а сразу два, он использует намного меньше стекового пространства и работает во много раз быстрее. Для вычисления числа Фибоначчи с номером N (а заодно и N+1-го числа Фибоначчи) необходимо всего лишь N рекурсивных вызовов предиката fib_fast.

Если нам не нужно следующее число Фибоначчи, можно сделать последним аргументом анонимную переменную или добавить описанный ниже двухаргументный предикат:

fib_fast(N,FN):-