Язык программирования Пролог

Унификация

Одним из наиболее важных аспектов программирования на Прологе являются понятия унификации (отождествления) и конкретизации переменных.

Пролог пытается отождествить термы при доказательстве, или согласовании, целевого утверждения. Например, в программе из "Базовые понятия" для согласования запроса ?- собака(Х) целевое утверждение собака (X) было отождествлено с фактом собака (Рекс), в результате чего переменная Х стала конкретизированной: Х= рекc.

Переменные, входящие в утверждения, отождествляются особым образом — сопоставляются. Факт доказывается для всех значений переменной (переменных). Правило доказывается для всех значений переменных в головном целевом утверждении при условии, что хвостовые целевые утверждения доказаны. Предполагается, что переменные в фактах и головных целевых утверждениях связаны квантором всеобщности. Переменные принимают конкретные значения на время доказательства целевого утверждения.

В том случае, когда переменные содержатся только в хвостовых целевых утверждениях, правило считается доказанным, если хвостовое целевое утверждение истинно для одного или более значений переменных. Переменные, содержащиеся только в хвостовых целевых утверждениях, связаны квантором существования. Таким образом, они принимают конкретные значения на то время, когда целевое утверждение, в котором переменные были согласованы, остается доказанным.

Терм Х сопоставляется с термом Y по следующим правилам. Если Х и Y — константы, то они сопоставимы, только если они одинаковы. Если Х является константой или структурой, а Y — неконкретизированной переменной, то Х и Y сопоставимы и Y принимает значение Х (и наоборот). Если Х и Y — структуры, то они сопоставимы тогда и только тогда, когда у них одни и те же главный функтор и арность и каждая из их соответствующих компонент сопоставима. Если Х и Y — неконкретизированные (свободные) переменные, то они сопоставимы, в этом случае говорят, что они сцеплены. В (Таблица 7.1) приведены примеры отождествимых и неотождествимых термов.

Заметим, что Пролог находит наиболее общий унификатор термов. В последнем примере (табл.7.1) существует бесконечное число унификаторов:

X-1, Z-2; X-2, Z-2; ....

но Пролог находит наиболее общий: Х=Z.

Следует сказать, что в большинстве реализаций Пролога для повышения эффективности его работы допускается существование циклических унификаторов. Например, попытка отождествить термы f(X) и Х приведет к циклическому унификатору X=f(X), который определяет бесконечный терм f(f(f(f(f(...))))). В программе это иногда вызывает бесконечный цикл.

Возможность отождествления двух термов проверяется с помощью оператора =.

Ответом на запрос

?- 3+2=5.

будет

нет

так как термы не отождествимы (оператор не вычисляет значения своих аргументов), но попытка доказать

?-строка(поз(Х)) -строка(поз(23)).

закончится успехом при

Х=23.

Унификация часто используется для доступа к подкомпонентам термов. Так, в вышеприведенном примере Х конкретизируется первой компонентой терма поз(23), который в свою очередь является компонентой терма строка.

Бывают случаи, когда надо проверить, идентичны ли два терма. Выполнение оператора = = заканчивается успехом, если его аргументы — идентичные термы. Следовательно, запрос

?-строка(поз(Х)) --строка (поз (23)).

дает ответ

нет

поскольку подтерм Х в левой части ( X — свободная переменная) не идентичен подтерму 23 в правой части, Однако запрос

?- строка (поз (23)) --строка (поз (23)).

дает ответ

да

Отрицания операторов = и - = записываются как \= и \= = соответственно.

Арифметические выражения

В этой лекции показано, каким образом Пролог выполняет арифметические операции. Будут описаны арифметические операторы и их использование в выражениях, а также рассмотрены встроенные предикаты, служащие для вычисления и сравнения арифметических выражений.

Введение

Язык Пролог не предназначен для программирования задач с большим количеством арифметических операций. Для этого используются процедурные языки программирования. Однако в любую Пролог-систему включаются все обычные арифметические операторы:

+		сложение
—		вычитание
*		умножение 
/		деление
mod		остаток от деления целых чисел
div		целочисленное деление

В некоторых реализациях языка Пролог присутствует более широкий набор встроенных арифметических операторов.

Диапазоны чисел, входящих в арифметические выражения, зависят от реализации Пролога. Например, система ICLPROLOG оперирует целыми числами со знаком в диапазоне

–8388606 ... 8388607

Арифметические выражения

Арифметическое выражение является числом или структурой. В структуру может входить одна или более компонент, таких, как числа, арифметические операторы, арифметические списковые выражения, переменная, конкретизированная арифметическим выражением, унарные функторы, функторы преобразования и арифметические функторы.

Числа. Числа и их диапазоны определяются в конкретной реализации Пролога.

Арифметические операторы. + - * / mod div

Арифметические списковые выражения. Если Х — арифметическое выражение, то список [X ] также является арифметическим выражением, например [1,2,3]. Первый элемент списка используется как операнд в выражении. Скажем, X is ([l,2,3]+5) имеет значение 6.

Арифметические списковые выражения полезны и при обработке символов, поскольку последние могут рассматриваться как небольшие целые числа. Например, символ "а" эквивалентен [97 ] и, будучи использован в выражении, вычисляется как 97. Поэтому значение выражения "р"+"А"-"а" равно 80, что соответствует коду ASCII для "Р".

Переменная, конкретизированная арифметическим выражением. Примеры: Х-5+2 и У-3*(2+А)

Унарные функторы. Примеры: +(Х) и -(У)

Функторы преобразования. В некоторых реализациях Пролога имеется арифметика с плавающей точкой, а следовательно, и функторы преобразования. Например:

float (X) преобразует целое число Х в число с плавающей точкой.

Математические функторы. Пример: квадрат( Х ) объявлен как оператор и эквивалентен арифметическому выражению ( Х*Х ).

Арифметические операторы

Атомы +, -, *, /, mod и div — обычные атомы Пролога и могут использоваться почти в любом контексте. Указанные атомы — не встроенные предикаты, а функторы, имеющие силу только в пределах арифметических выражений. Они определены как инфиксные операторы. Эти атомы являются главными функторами в структуре, а сама структура может принимать только описанные выше формы.

Арифметический оператор выполняется следующим образом. Во-первых, вычисляются арифметические выражения по обе стороны оператора. Во-вторых, над результатом вычислений выполняется нужная операция.

Арифметические операторы определяются Пролог-системой. Если мы напишем предикат

среднее (X,Y,Z) :- Z is (X+Y)/2.

то, хотя можно определить среднее как оператор,

?- ор(250^х, среднее).

но Пролог выдаст сообщение об ошибке, если встретит выражение Z is X среднее Y.

Это произойдет потому, что Х среднее Y не образует арифметического выражения, а среднее не является арифметическим оператором, определенным в системе.

Вычисление арифметических выражений

В Прологе не допускаются присваивания вида Сумма=2+4.

Выражение такого типа вычисляется только с помощью системного предиката is, например:

Сумма is 2 + 4.

Предикат is определен как инфиксный оператор. Его левый аргумент — или число, или неконкретизированная переменная, а правый аргумент — арифметическое выражение.

Попытка доказательства целевого утверждения Х is Y заканчивается успехом в одном из следующих случаев:

1. Х — неконкретизированная переменная, а результат вычисления выражения Y есть число;
2. Х — число, которое равно результату вычисления выражения Y. Цель Х is Y не имеет побочных эффектов и не может быть согласована вновь. Если Х не является неконкретизированной переменной или числом либо если Y — не арифметическое выражение, возникает ошибка.

Примеры:

D is 10- 5			заканчивается успехом и 
                                 D становится равным 5 
4 is 2 * 4 - 4			заканчивается успехом 
2 * 4 - 4 is 4			заканчивается неудачей 
a is 3 + 3			заканчивается неудачей 
X is 4 + а			заканчивается неудачей 
2 is 4 - X			заканчивается неудачей

Обратите внимание, что предикат is требует, чтобы его первый аргумент был числом или неконкретизированной переменной. Поэтому М - 2 is 3 записано неверно. Предикат is не является встроенным решателем уравнений.

Сравнение результатов арифметических выражений

Системные предикаты =:=, =\=, >, <, >= и <= определены как инфиксные операторы и применяются для сравнения результатов двух арифметических выражений.

Для предиката @ доказательство целевого утверждения X@Y заканчивается успехом, если результаты вычисления арифметических выражений Х и Y находятся в таком отношении друг к другу, которое задается предикатом @.

Такое целевое утверждение не имеет побочных эффектов и не может быть согласовано вновь. Если Х или Y — не арифметические выражения, возникает ошибка.

С помощью предикатов описываются следующие отношения:

Х =:= Y - Х равно Y

Х =\= Y - Х не равно Y

Х < Y - Х меньше Y

Х > Y - Х больше Y

Х <= Y - Х меньше или равно Y

Х >= Y - Х больше или равно Y

Использование предикатов иллюстрируют такие примеры:

а > 5 - заканчивается неудачей

5+2+7 > 5+2 - заканчивается успехом

3+2 =:= 5 - заканчивается успехом

3+2 < 5 - заканчивается неудачей

2 + 1 =\= 1 - заканчивается успехом

N > 3 - заканчивается успехом, если N больше 3, и неудачей в противном случае