При изучении каких тем используется язык пролог. Логическое программирование. Основы языка Пролог. Код программы без запросов

И рассмотреть решения простейших задач на Прологе.

Прежде, чем начинать, хотелось бы кратко ответить на злободневные вопросы от хабрачитателей:
- Где реально используется Пролог?
- Такие проекты существуют, некоторые приводились в комментариях к 1-й статье. Важно что, большинство программистов пишут на Прологе не от безвыходности, а от того, что им нравится Пролог. В конце концов Пролог не может использоваться для любой задачи, такой создание UI или манипулирование с файлами.

Почему таких проектов мало?
- Потому что программистов владеющих Пролог крайне мало, не только потому что люди не изучали его, а потому что недоизучали для написания полных программ. Главная же причина, что люди недостаточно четко понимают в каких ситуациях лучше всего его использовать. Часто можно видеть, что ярые сторонники Пролога, пишут на нем все, включая обработчиков клавиатуры и мыши, из-за чего код получается еще хуже, чем на С.

Почему нет сообщества Пролога?
- Оно есть. Такова специфика языка, что он очень полюбился в академической среде (большинство Prolog систем пишутся в различных университетах и наоборот практически любой университет пишет свой Пролог), из-за этого можно сказать страдает и применимость языка. Стоит отметить, что сообщество небольшое, но очень лояльное: практически все известные языки нашли свое отражение в современных языках (Lisp, ML -> F#, Scala; Smalltalk -> Java, Scala (агенты), скриптовые -> Ruby), в отличие от Пролог.

Думаю на этом хватит философских рассуждений и можно приступить к реальным примерам:)

В конце как обычно ожидает задача на приз.

Пример №1 - поиск совершенных чисел

Для этого примера нам понадобится предикат is/2. X is 3 + 1 * 2 - вычисляет выражение справа и заносит в переменную слева, это не присваивание (!), а утверждение что X = 7. Проще говоря фраза X = 7, X = 3 - не имеет решения потому как X не может быть одновременно 7 и 3.
Так же нам понадобится решение задачи из предыдущего топика. Задача была написать предикат, который бы генерировал все натуральные числа подряд, вот решение:
ints(0). ints(X) :- ints(Y), X is Y + 1.
На самом деле это декларативная версия стандартного предиката integer/1, который проверяет, что аргумент целое число. Проблема стандартного предиката, что он работает правильно для запроса:- integer(1) и не работает для запроса integer(X).

Задача : написать программу, которая бы находила все совершенные числа.
Решение очевидно, пробегаем по всем целым числам и проверяем не являются ли они совершенными, эта стратегия очень хорошо применима к императивным языкам, мы и сами не замечаем, как сразу же ищем алгоритм поиска решения, а не анализируем задачу. В Прологе мы должны не пытаться описать поиск решения задачи, а пытаться описать постановку задачи, чтобы сделать это руководствуйтесь правилом:

Не пытайтесь описать инструкции поиска решения, предположите, что вы уже нашли решение, а ваша задача только проверить, что решение найдено.

Как ни странно, но это стратегия прекрасно работает.
%% Декларативное определение натуральных чисел ints(0). ints(X) :- ints(Y), X is Y + 1. %% Совершенное число - это 1) натуральное число 2) сумма делителей равна числу perfect_number(X) :- ints(X), Y is X - 1, calculatesum_divisors_till(Sum, X, Y), Sum = X. %% Проверка суммы делителей 1-й аргумент Сумма, 2-й - число для которого ищем делители, %% 3-е - число до которого ищем делители calculatesum_divisors_till(0, _NumberToDivide, 0). calculatesum_divisors_till(Sum, NumberToDivide, Till) :- Till > 0, Rem is NumberToDivide mod Till, Rem = 0, Ts is Till - 1, calculatesum_divisors_till(SumPrev, NumberToDivide, Ts), Sum is SumPrev + Till. calculatesum_divisors_till(Sum, NumberToDivide, Till) :- Till > 0, Rem is NumberToDivide mod Till, Rem > 0, Ts is Till - 1, calculatesum_divisors_till(Sum, NumberToDivide, Ts).

Вставляем исходный текст в файл, запускаем интерпретатор и компилируем его (через запрос:-compile("путь_к_файлу/perfect_numbers.pl"). Пишете запрос :- perfect_number(X). и интерпретатор выдает ответ, при нажатии ";" выдает следующий. Обратите внимание запрос может быть :- perfect_number(X), X > 6 . Тогда все ответы будут больше 6. Конечно программа работает не оптимально, сама проверка может быть упрощена с использованием простых делителей, попробуйте.

Пример №2 - генерация перестановок.

Для постановки и решения этой задачи нам понадобятся понятие списков. Списки не являются базовым понятиям языка, между списками можно провести прямую аналогию со связными списками в C. Вернемся к определению терма как к рекурсивной структуре данных.
%% Определим пустой список как объект nil list(nil). %% Определим список из одного элемента 1 list(t(1, nil)). %% Определим список из элементов 1, 2, 3 list(t(1, t(2, t(3, nil)))). %% Опишем к примеру процедуру поиска в списке %% 1. результат находится в голове списка (1-й элемент) %% _ - означает незначимую для нас переменную member(X, t(Y, _)) :- X = Y. %% 2. результат не первый элемент, но содержится в хвосте списка после первого элемента member(X, t(_, Tail)) :- member(X, Tail).

Как многие бы сказали обычная рекурсия и чтобы списки не выглядели как-то особенно в Прологе существует синтаксический сахар для них: nil можно записать , t(1, nil) - , t(1, t(2, nil)) - , t(1, Sublist) - , t(1, t(2, Sublist)) - . Рекомендуется пользоваться синтаксическим сахаром для списков, потому как внутреннее название термов может отличаться (чаще всего терм называется ".").
%% 1. результат находится в голове списка (1-й элемент) member(X, ). %% 2. результат не первый элемент, но содержится в хвосте списка после первого элемента member(X, [_| Tail]) :- member(X, Tail).
Вернемся к исходной задаче генерации перестановок. Все прекрасно помнят, что количество перестановок n!, но вот дай эту задачу большинству программистов и все начнут судорожно вспоминать и говорить, что писали это в школе и забыли как делается перебор. В среднем алгоритм появляется после стараний и мучений через минут 20. При знании Пролога этот алгоритм пишется за 2 минуты или не пишется вообще:)

Как же решить на Прологе? Воспользуемся правилом не поиска решения, а проверки, что решение найдено. Предикат perm(Source, Permutation) - где Source исходный список, Permutation - перестановка.

%% Если исходный список пустой то существует одна перестановка пустой список perm(, ). %% 1-й элемент перестановки должен содержаться в исходном списке, %% при чем его надо сразу исключить из оригинального списка, %% остальные элементы должны быть перестановкой перестановкой %% оставшегося оригинального списка perm(Source, ) :- member_list_exclude(Element, Source, SourceExcluded), perm(SourceExcluded, Tail). %% Проверка того, что элемент содержится в списке, а 2-й список является списком без элемента %% Название предиката member_list_exclude соответствует порядку аргументов %% 1-й - элемент, 2-й - список, 3-й - список без элементов member_list_exclude(X, , L). member_list_exclude(X, , ) :- member_list_exclude(X, L, Ls).
Запрос :-perm(, X) генерирует все перестановки. Интересно, что запросы симметричны :-perm(X, ) относительно аргументов, правда данный запрос зависает и чтобы он работал необходимо поменять member_list_exclude и perm местами в perm.

Пример №3 - генерация сочетаний.

Генерация сочетаний по простоте реализации похожа на генерацию перестановок. Нам понадобится предикат member/2 - принадлежность элемента списку. Предположим у нас есть 2 списка: 1-й исходный список, 2-й - предполагаемое сочетание, необходимо проверить правильность сочетания. Элементы сочетания располагаются в порядке исходного списка.

Member(X, ). member(X, [_|L]) :- member(X, L). comb(, ). %% Вариант 1: 1-й элемент сочетания содержится в исходном списке comb(, ) :- comb(List, Tail). %% Вариант 2: сочетание является правильным сочетанием хвоста списка, %% то есть 1-й элемент исходного списка не содержится в сочетании comb([_|List], Tail) :- comb(List, Tail).

Пример №4 - сортировка.

Данный пример рассмотрим достаточно подробно и попытаемся провести оптимизацию первичного решения. Процесс написания на Прологе выглядит следующим образом: 1) первичное описание задачи и получение переборного решения 2) логическая оптимизация перестановкой предикатов справа 3) логическая оптимизация введения упрощенных проверок или удаление лишних условий 4) введение эвристик и оптимизация отдельних случаев путем отсечений.

Вариант 1. Сортировка наивная : первый элемент отсортированного массива должен быть минимальным, остальные элементы должны быть отсортированы. Первый массив исходный, второй массив отсортированный исходный.

Sort(, ). sort(List, ) :- min_list_exclude(Min, List, Exclude), sort(Exclude, SortRest). %% Рекурсивно исключаем минимальное число, если в списке одно число исключаем его min_list_exclude(M, [M], ). min_list_exclude(Min, , ExcludeRes) :- min_list_exclude(Ms, L, Exclude), find_result(result(M, L), result(Ms, ), result(Min, ExcludeRes)). %% Дополнительный предикат для определения пары с минимальным ключом find_result(result(M, L), result(Ms, _), result(M, L)):- M < Ms. find_result(result(M, _), result(Ms, Exclude), result(Ms, Exclude)):- Ms =< M.
Можно заметить, что сложность данного алгоритма квадратичная и основная проблема в том, что мы каждый раз ищем минимальный элемент, не сохраняя при этом никакой полезной информации.
Отметим также, что мы пытаемся определить, что такое 1-й элемент отсортированного массива.

Вариант 2. Быстрая сортировка. Посмотрим на проблему со второй стороны и попытаемся определить место 1-го элемента списка в отсортированном массиве (применим рекурсию к исходному массиву).

Sort_b(, ). sort_b(, List) :- split(T, R, Less, Great), sort_b(Less, LessSort), sort_b(Great, GreatSort), append(LessSort, , List). %% Разделяем массив на 2 массива больше и меньше split(_, ,, ). split(T, ,, Great) :- M < T, split(T,R, Less,Great). split(T, ,Less, ) :- M >= T, split(T,R, Less,Great). %% Склеиваем 2 списка append(, M, M). append(, Right, ) :- append(Left, Right, Res).
Можно заметить, что мы улучшили результаты сортировки, так как быстрая сортировка заведомо быстрее пузырьковой. Для того, чтобы еще улучшить результаты, мы можем вспомнить сортировку слияниями, которая в любом случае дает O(n lg n), но к сожалению данная сортировка применима только к массивам, а не к связным списка, с которыми мы работаем. Единственный вариант использовать дополнительную структуру данных для хранения - дерево.

Вариант 3. Сортировка с использованием бинарного дерева.

Для данного вида сортировки переведем исходный список в бинарное дерево, а затем, воспользовавшись обходом дерева слева, получим отсортированный массив. Дерево будем представлять рекурсивным термом tree(Object, LeftSubTree, RightSubTree) .
sort_tree(, nil). sort_tree(, Tree) :- sort_tree(L, LTree), plus(X, LTree, Tree). %% Добавление в элемента в дерево plus(X, nil, tree(X, nil, nil)). plus(X, tree(O, L, R), tree(O, ResL, R)) :- O >= X, plus(X, L, ResL). plus(X, tree(O, L, R), tree(O, L, ResR)) :- O < X, plus(X, R, ResR). sort_t(X, Y) :- sort_tree(X, Tree), tree_list(Tree, Y). append_list(, L, L). append_list(, R, ) :- append_list(L, R, T). tree_list(nil, ). tree_list(tree(X, L, R), List) :- tree_list(L, ListL), tree_list(R, ListR), append_list(ListL, , List).

Вариант 4. Сортировка с использованием сбалансированного бинарного дерева.

Проблема использования бинарного дерева такая же как использования быстрой сортировки. Метод не гарантирует оптимальной работы. В случае бинарного дерева, дерево может быть разбалансировано и процедура добавления элемента в него может быть линейна, а не логарифмична. Специально для этого выполняются процедуры балансировки дерева, ниже для ознакомления будет приведен алгоритм с использованием АВЛ-дерева .

Sort_btree(X, Y) :- sort_tree(X, Tree), tree_list(Tree, Y). tree_list(nil, ). tree_list(tree(X, L, R, _), List) :- tree_list(L, ListL), tree_list(R, ListR), append(ListL, , List). sort_tree(, nil). sort_tree(, Tree) :- sort_tree(L, LTree), plus_tree(X, LTree, Tree). construct_tree(A, AL, AR, tree(A, AL, AR, ADepth)) :- diff(AL, AR, _, ADepth). diff(AL, AR, ADiff, ADepth) :- depth_tree(ALs, AL), depth_tree(ARs, AR), ADiff is ALs - ARs, max_int(ALs, ARs, AD), ADepth is AD + 1. max_int(A, B, A) :- A > B. max_int(A, B, B) :- A =< B. append(, L, L). append(, R, ) :- append(L, R, T). depth_tree(0, nil). depth_tree(X, tree(_, _, _, X)). plus_tree(X, nil, tree(X, nil, nil, 1)). plus_tree(X, tree(O, L, R, _), Res) :- O >= X, plus_tree(X, L, ResL), diff(ResL, R, Diff, Dep), balance_tree(tree(O, ResL, R, Dep), Diff, Res). plus_tree(X, tree(O, L, R, _), Res) :- O < X, plus_tree(X, R, ResR), diff(L, ResR, Diff, Dep), balance_tree(tree(O, L, ResR, Dep), Diff, Res). %% No rotations balance_tree(Tree, ADiff, Tree) :- ADiff < 2, ADiff > -2. %% Small right rotation balance_tree(tree(A, tree(B, BL, BR, _), AR, _), ADiff, Result) :- ADiff > 1, diff(BL, BR, BDiff, _), BDiff >= 0, construct_tree(A, BR, AR, ASubTree), construct_tree(B, BL, ASubTree, Result). %% Big right rotation balance_tree(tree(A, tree(B, BL, BR, _), AR, _), ADiff, Result) :- ADiff > 1, diff(BL, BR, BDiff, _), BDiff < 0, BR = tree(C, CL, CR, _), construct_tree(B, BL, CL, BSubTree), construct_tree(A, CR, AR, ASubTree), construct_tree(C, BSubTree, ASubTree, Result). %% Small left rotation balance_tree(tree(A, AL, tree(B, BL, BR, _), _), ADiff, Result) :- ADiff < -1, diff(BL, BR, BDiff, _), BDiff =< 0, construct_tree(A, AL, BL, ASubTree), construct_tree(B, ASubTree, BR, Result). %% Big left rotation balance_tree(tree(A, AL, tree(B, BL, BR, _), _), ADiff, Result) :- ADiff < -1, diff(BL, BR, BDiff, _), BDiff > 0, BL = tree(C, CL, CR, _), construct_tree(B, CR, BR, BSubTree), construct_tree(A, AL, CL, ASubTree), construct_tree(C, ASubTree, BSubTree, Result).
Данный пример не является достаточно выразительным для реализации на Прологе, хотя и дает представление о программах среднего объема. Для тренировки можно реализовать пузырьковую сортировку или сортировку вставками, оставим это на усмотрение читателя.

Пример №5 - Задача о переливаниях.

В качестве следующей задачи рассмотрим классическую задачу о состояниях, эта задача гораздо лучше отражает преимущества использования Пролог. Общая постановка задачи: даны некоторые емкости с водой, необходимо путем переливаний получить определенное количество воды в некоторой емкости. Для примера возьмем 3 кувшина емкостью 12 литров, 8 литров, 5 литров, наполним 1-й полностью, то есть 12 литрами и поставим задачу получить 6 литров . Для начала попытайтесь решить эту школьную задачу при помощи ручки и листка бумаги :)

Прежде чем генерировать различные алгоритмы и пытаться их применить к задаче, давайте сначала перепишем условия в терминах Пролога. Опишем емкость как терм sosud(Id, MaximumCapacity, CurrentCapacity) , состояние системы опишем как список емкостей. Пример . Теперь опишем запрос:

%% solve_pr_wo(InitialState, Goal, Steps). :- solve_pr_wo(, sosud(X, _, 6), Steps).

Обратите внимание, что Goal = sosud(_, _, 6), то есть нам не важно какой емкости сосуд главное чтобы в нем было именно 6 литров.

Теперь когда нам все известно опишем способ проверки решения, считая что шаги заданы в переменной Steps.

%% Для получения состояния не требуется ни одного шага, %% значит один из сосудов находится в списке solve_pr_wo(State, Goal, ) :- member(Goal, State). %% Первый шаг это перелить из Sosud в Sosud2 и получить состояние %% первого сосуда ResSosud, а второго ResSosud2. %% Конкретный пример шага: %% mv(sosud(1, 12, 12) -> sosud(2, 8, 0), sosud(1, 12, 4) -> sosud(2, 8, 8)). solve_pr_wo(State, Goal, ) :- %% В первую очередь проверка домена, что сосуды действительно %% содержатся в текущем состоянии и они не равны друг другу member(Sosud, State), member(Sosud2, State), not(Sosud = Sosud2), %% Осуществление самого переливания, здесь %% участвуют все 4 переменных шага mv(Sosud, Sosud2, ResSosud, ResSosud2), %% Замена состояния сосудов в списке состояний по очереди replace(Sosud, State, ResSosud, State2), replace(Sosud2, State2, ResSosud2, StateX), %% Дальнейшие шаги должны выполняться по рекурсии solve_pr_wo(StateX, Goal, Steps). %% На самом деле обычная замена элемента в списке %% replace(ElementToReplace, InList, ElementToReplaceWith, OutList). replace(S, , X, ). replace(S, , X, ) :- replace(S, L, X, Ls). %% Процедура переливания - 2 варианта %% исходный сосуд будет исчерпан или целевой наполнен %% Опустошение первого сосуда во второй mv(sosud(Id1, Max1, Current), sosud(Id2, Max2, Current2), sosud(Id1, Max1, 0), sosud(Id2, Max2, Current3)) :- Current > < Max2. %% Переливание из первого сосуда до краев второго mv(sosud(Id1, Max1, Current), sosud(Id2, Max2, Current2), sosud(Id1, Max1, Current3), sosud(Id2, Max2, Max2)) :- Current > 0, Current3 is Current2 + Current - Max2, Current3 >= 0.

Дополнения, может показаться что проверка домена необязательно, ведь если шаги по переливанию верны, то можно не проверять, что они описывают. На самом деле полнота проверки серьезно улучшает шансы программы заработать правильно. Правильнее даже сказать так, с избыточной проверкой программа работать будет, иногда даже более оптимизировано, чем без, но с недостаточной проверкой программа при некоторых входных данных будет выдавать абсолютно неправильные результаты или зависать.

Что же, описание программы написано - можно запустить. Не стоит удивляться программа не заработает, оно попросту зависнет:) Это не так плохо как может показаться, потому что если бы программа не зависла, то она выдала бы правильный ответ. Следует разобраться почему же она зависла и здесь нам на помощь придет понимание как же Пролог разворачивает правила, чтобы найти решение. На самом деле, не надо иметь голову способную запомнить до 10 точек возврата, чтобы понять, что каждый следующий раз когда solve_pr_wo -> вызывает по рекурсии solve_pr_wo, он вызывает 2 предиката member/2, которые всегда выдают одно и то же 1-й и 2-й сосуд (предикат not вызывает backtracking и не позволяет member выбрать 1-й и 1-й сосуд). То есть алгоритм постоянно переливает из 1-го во 2-й и обратно.

Для того, чтобы разрешить эту нелепость, на ум сразу приходит запретить делать одно и то же действие 2 раза, то есть иметь истории состояний и если состояние уже встречалось, то запретить его повторное попадание. Получается, что мы сужаем множество допустимых стратегий переливания, исключая повторения. На самом деле сужая множество стратегий, мы не сужаем множество допустимых состояний системы, то есть решений, что не трудно доказать.

Полная версия программа с распечаткой состояний и единственным предикатом для вызова solution:

Write_list(). write_list() :- writeln(X), write_list(L). solution:- solve_pr(, sosud(_, _, 6), , Steps), write_list(Steps). replace(S, , X, ). replace(S, , X, ) :- replace(S, L, X, Ls). %% будем считать стратегией переливания не сами шаги, а просто конечные состояния %% зная начальное и конечное состояние, не трудно догадаться, какой шаг был выполнен solve_pr(State, Goal, _, ) :- member(Goal, State). solve_pr(State, Goal, History, ) :- member(Sosud, State), member(Sosud2, State), not(Sosud = Sosud2), mv(Sosud, Sosud2, ResSosud, ResSosud2), replace(Sosud, State, ResSosud, State2), replace(Sosud2, State2, ResSosud2, StateX), %%% та самая проверка конечного состояния not(member(StateX, )), solve_pr(StateX, Goal, , Steps). %% mv(sosud(_Id, Max, Current), sosud(_Id2, Max2, Current2), ...,...). %% Опустошение первого сосуда во второй mv(sosud(Id1, Max1, Current), sosud(Id2, Max2, Current2), sosud(Id1, Max1, 0), sosud(Id2, Max2, Current3)) :- Current > 0, Current3 is Current2 + Current, Current3 =< Max2. %% Переливание из первого сосуда до краев второго mv(sosud(Id1, Max1, Current), sosud(Id2, Max2, Current2), sosud(Id1, Max1, Current3), sosud(Id2, Max2, Max2)) :- Current > 0, Current3 is Current2 + Current - Max2, Current3 >= 0.

Все теперь работает! Как упражнение можно модифицировать программу, чтобы она находила переливания за оптимальное число шагов. Можете поэкспериментировать вот на этих задачках .

Замечание : ярые сторонники императивного программирования заметят, что все, что мы сделали это перебор всех состояний с возвратами (проход в глубину), причем без использования эвристик, и будут абсолютно правы. Дело в том, что мыслить в Прологе нужно как раз не перебором, а описанием задачи и описанием проверки решения, а к императивности вычислений всегда нужно возвращаться для оптимизации, если она нужна! Двойственность природы - не минус, а плюс. Стоит также отметить, что крупные Пролог системы, очень хорошо адаптированы для поиска состояний с возвратами.

Заключение

Хотелось бы отметить, что задачи рассмотренные в данной статье являются этюдами для программирования на Прологе. Так как большинство из них занимает около 10-15 строк, то программист на Прологе в состоянии воспроизвести их по памяти при достаточном частом порешевании их. А возвращаться к ним обязательно стоит, так как это напоминает об искусстве программирования (точно так же как быстрая сортировка на C). Более сложные и более прикладные задачи для повседневного использования будут рассмотрены позже.

В конце аж 2 задачки на приз :

1. Как известно в функциональном и логическом всячески пытаются избежать программ с side эффектами, оборачивают их в монады, придумывают специальные концепции. Стандартная проблема - это проблема внешнего мира, например, запись данных в файл, невозможно откатить запись в файл или отменить отсылку нескольких байт по сокету, а следовательно бэктрекинг будет работать не совсем корректно. Совет один - не используйте для этих целей Пролог. Но есть такие предикаты, которые очень хороши и специфичны для Пролога, но имеют side effect. Пример assert (asserta, assertz): он добавляет в базу правил (фактов) простое правило (факт). Пример assert(prime(3)) : добавляет факт, что 3 простое число и запрос :-prime(X) , теперь будет выдавать 3, даже при пустой исходной программе.

   Задача : написать декларативную версию assert , то есть при возврате программы по бэктрекингу факт не должен оставаться в памяти, а должен работать как логическое предположение.

   Пример работы : запрос c(X) должен выдавать одно число 4 для следующей программы!
   a(X) :- b(Y), X is Y + 1 . c(X) :- my_assert(b(3)), a(X). c(X) :- b(X).

2. В классической математической логике 2 теориям уделяется гораздо больше внимание, чем всем остальным - это теория множеств и теория предикатов . Между ними существуют определенная связь, одно выражается через другое и наоборот. Например, предикат - это множество значений на которых он истинен, и наоборот множество - это предикат принадлежности. Традиционная реляционная теория баз данных оперирует множествами, а Пролог оперирует - предикатами. В общем, задача состоит в том, чтобы выразить абсолютно традиционную для теории множеств операцию - операцию взятия множества всех подмножеств .

   Задача : дан некоторый одноместный предикат a/1 (в общем случае множество элементов не ограничено, может быть бесконечно), написать предикат subset_a/1, который будет выдавать подмножества, состоящие из элементов множества a.

   Пример : запрос subset_a(X) выдает X = , X = , X = , X = (порядок не важен):
   a(1). a(2). subset_a(X) :- ....?

Спасибо за внимание.

Теги: Добавить метки

Язык программирования Prolog является одним из ведущих логических языков программирования. Он был создан Аленом Колмерье (Alain Colmerauer) в 1970-х годах. Это была попытка сделать язык программирования для начинающих, который дает возможность выразить логику, а не тщательно задавать инструкциями на экране компьютера то, что хочется получить.

Пролог используется во многих программах искусственного интеллекта, но его синтаксис и семантика очень простые и ясные (первоначальная цель заключалась в обеспечении инструментом для компьютерных неграмотных лингвистов). Название Пролог акроним для ПРОграммирования в ЛОГике и широко известен при обучении основам программирования.

Пролог основан на исчислении предикатов (точнее первого порядка исчисления предикатов), однако он ограничен формулами Хорна. Программы Пролога эффективны для доказательства теорем в первом приближении. Основные понятия объединения, хвостовая рекурсии и отслеживание.

Типы данных

Пролог не использует типы данных в том виде, который нам привычен в распространенных языках программирования. Мы можем говорить о Пролог лексических элементах вместо типов данных, что непривычно в программировании для чайников.

Текст константы вводится с помощью атомов. Атом последовательность, состоящая из букв, цифр и подчеркивания, который начинается с буквы в нижнем регистре. Обычно, если это не буквенно-цифровые атомы, то необходимо, обрамлять их апострофами (например, "+" является атомом, + является оператором).

Большинство реализаций Prolog не делают различий между действительными и дробными числами.

Переменные

Переменные обозначаются строкой, состоящей из букв, цифр и символов подчеркивания, а начинается с буквы верхнего регистра. В среде Пролог, переменная не является контейнером, который может быть назначен (в отличие от процедурных языков программирования). Его поведение ближе к модели, которая похожа на объединения.

Так называемые анонимные переменные записываются в виде одного подчеркивание (_).

Термины являются единственным способом, которым Пролог может представлять сложные данные. Термин состоит из головы, которая также называется функтор (который должен быть атомом) и параметров (не ограниченные типами). Число параметров, так называемых арностей термина, является важным. Термин определяется по его голове и арности, обычно записывается как функтор / арности.
Списки

Список не является автономным типом данных, потому что он определяется рекурсивным построением (используя термин / 2 "."):

Atom - пустой список

Для удобства программиста, списки могут быть построены и разрушены в разному.

Если L является списком и X является элементом, то "." (X, L) является членом списка. Первый элемент X, за которым следует содержимое контекста L, синтаксически представляют как.

Для удобства программиста, списки могут быть построены и уничтожены в разному.

Элемент перечисление:
Предварение одного элемента:
Предварение несколько элементов:
Расширение термина: "."(abc, "."(1, "."(f(x), "."(Y, "."(g(A,rst), )))))

Строки обычно записывается как последовательность символов в кавычках. Они часто представлены в виде списков кодов символов таблицы ASCII.

Программирование на языке ПРОЛОГ сильно отличается от работы с процедурными языками. В Прологе Вы работаете с базами данных из фактов и правил, вы можете выполнять запросы к базе данных. Основной единицей Пролог является предикат, который определен, чтобы быть правдой (true). Предикат состоит из головы и числа аргументов. Например:

Здесь "cat" это голова, и "tom" является аргументом. Вот некоторые примеры запросов вы можете выполнить с помощью транслятора Пролог на основе этого факта:

Cat(tom).
yes.

Cat(X).
X = tom;
no.

Предикаты обычно определяются для выражения факта, с помощью которого программа знает о мире. В большинстве случаев, использование предикатов требует определенных соглашений. Таким образом, какая из представленных версий будет означать, что Пэт является отцом Салли?

Father(sally,pat).
father(pat,sally).

"father" в обоих случаях это голова, а "sally" и "pat"- аргументы. Однако в первом случае, Салли на первом месте в списке аргументов, а на втором Пэт на и наоборот. Первый случай является примером определения в порядке Глагол Предмет и Объект, ну а во втором примере порядок следующий Глагол Объект Предмет. Поскольку Пролог не понимает по-английски, обе версии прекрасно подходят, однако, считается хорошим стилем программирования придерживаться одного стиля, называемого соглашением, в ходе написания одной программы, чтобы потом не писать что-то вроде:

Father(pat,sally). father(jessica,james).

Некоторые предикаты встроены в язык, и позволяют Прологу уменьшить рутину повседневной деятельности (например, ввод / вывод с использованием графики и иного общения с операционной системой). Например, предикаты записи могут быть использованы для вывода на экран таким образом:

Write ("привет")

Будет отображать слово "Hello" на экране.

Правила

Второй тип заявлений в Пролог - это правила. Пример правила:

Light(on) :- switch(on).

": -" означает "если", это правило означает, light (on) верно (включен), если switch (on) это правда (иначе, если переключатель switch включен, тогда есть свет light). Правила могут также использовать переменные, переменные начинаются с большой буквы в то время как константы начинаются со строчных буквам. Например,

Father(X,Y) :- parent(X,Y),male(Y).

Это означает, "если кто-то является родителем, и он мужчина, то он является отцом". Причины и следствия могут находиться и в обратном порядке, так что это не противоречит обычной логике. Можно разместить несколько предикатов в разделе следствий, объединив их вместе, например:

Что эквивалентно нескольким объявлениям:

A:- d. b:- d. c:- d.

Но не разрешаются инструкции вида:

Что является эквивалентом "если с, то a или b". Это связано с ограничением, на накладываемым формулой Хорна.

Тема 3. Язык программирования ПРОЛОГ

Лекция № 2

Язык программирования Visual Prolog

2. Представление знаний, структуры данных в программах на языке Пролог.

3. Функциональные возможности Visual Prolog

1. Основные конструкции языка Visual Prolog, разделы программы, дескриптивный, процедурный и машинный смысл программы на Прологе

Краткая историческая справка:

В начале 70 х годов группа специалистов Марсельского университета во главе с А. Колмероэ разработали специализированную систему для доказательств теорем на базе языка Фортран, которую использовали для обработки высказываний на естественном языке. В начале 80 годов в Отделении Вычислительных наук Датского Технического Университета сформировался коллектив программистов, которым в 1982 году был разработан интерпритатор языка пролог для VAX. В 1984 Лео Йенсен, Джон Гофман, Финн Гронсков разработали компилятор для IBM PC возникла фирма PDC (Prolog Development Center). Фирма Borland до 1990 Turbo Prolog затем права переданы PDC. С 1993 года под руководством Виктора Юхтенко в разработке Visual Prolog принимает участие группа PDC из СПб. Возглавляют проект в настоящее время Лео Йенсен, Томас Линдер Пулс, Виктор Юхтенко, Юрий Ильин.

1. Основные конструкции языка Visual Prolog

Имена

a. В Прологе, напомним, имена используются для обозначения символических кон­стант, доменов, предикатов и переменных. Имя состоит из буквы (или знака под­черкивания), за которой следует любая комбинация нуля или более букв, цифр или знаков подчеркивания. На имя накладываются два важных ограничения:

b. О имена символических констант должны начинаться со строчной буквы;

c. имена переменных должны начинаться с прописной буквы или знака подчерки­вания.

За исключением этих ограничений, вы можете использовать прописные и строчные буквы в программе как угодно. Например, можно сделать имя более читабельным, смешивая большие и маленькие буквы, как в переменной

MyLongestVariableNameSoFar

или используя знаки подчеркивания:

pair_who_might_make_ar_happy_couple (henry_yiii, ann_boleyn)

Компилятор Visual Prolog, кроме как для первой буквы, не делает отличий между прописными и строчными буквами. Это означает, что две переменные

одинаковы.

Ключевые слова

Следующие слова являются зарезервированными и их нельзя использовать как име­на, определенные пользователем:

abstract elsedef ifndef procedure

align endclass implement protected

as enddef include predicates

and erroneous language reference

class facts multi single

clauses failure nocopy static

constants global nondeterm struct

database goal object this

Специально определенные предикаты

Следующие предикаты обрабатываются компилятором специальным образом; эти имена нельзя переопределять в программе:

chain_insertafter

2. Разделы программы

Программа на языке Visual Prolog состоит из модулей, каждый из которых содержит несколько разделов. Раздел программы идентифицируется ключевым словом, как показано в табл. 23.1.

Опции компилятора Опции компилятора, заданные в начале модуля

constants Нуль или более символических констант

domains Нуль или более объявлений доменов

facts Нуль или более объявлений предикатов базы данных

predicates Нуль или более объявлений предикатов

goal Цель программы

clauses Нуль или более предложений

class Нуль или более объявлений открытых (и защищенных) предикатов, фактов и доменов

implement Нуль или более объявлений закрытых предикатов, фактов и доменов. Нуль или более предложений, реализующих откры­тые и закрытые предикаты (и инициализирующих факты)

abstract class Нуль или более объявлений открытых предикатов и доменов. не должны иметь реализацию

Чтобы создать программу, вы должны в ней указать цель. Программе необходимы, по меньшей мере, разделы predicates и clauses . Большинству программ нужен раздел domains для объявления списков, сложных структур и ваших собственных доменов.

При модульном программировании вы можете ставить перед ключевыми словами domains, predicates и facts ключевое слово global, указывая, что последующие объявления имеют глобальную область видимости и объявленные имена действи­тельны во всех программных модулях, которые включают объявления этих глобаль­ных разделов.

Программа может содержать несколько разделов domains, predicates, facts и clauses, а также несколько объявлений и реализаций классов,

Секция объявления объектов предметной области (domains sec­tion), которые будут использоваться в логической программе, например:

title, author = symbol pages = unsigned

секция объявления предикатов (predicates section), которые будут использоваться в логической программе, например:

book(title, pages) written_by(author, title) long_novel(title)

Секция логических предложений (clauses section), в которой указываются факты и правила, используемые системой Prolog для поиска решений поставленных перед ней задач, например:

секция цели (goal section), в которой формулируется задача для системы Prolog, например:

3. Дескриптивный, процедурный и машинный смысл программы на Прологе.

Обычно программа на Прологе не является последовательностью действий, - она представляет собой набор фактов с правилами, обеспечивающими получение заключений на основе этих фактов. По­этому Пролог известен как декларативный язык.

Программы на языке Пролог состоят из двух типов фраз: фактов и правил, также называемых предложениями.

· Факты - это отношения или свойства, о которых известно, что они имеют значение "истина".

· Правила - это связанные отношения; они позволяют Прологу логически вы­водить одну порцию информации из другой. Правило принимает значение "истина", если доказано, что заданный набор условий является истинным.

2. В Прологе все правила имеют 2 части: заголовок и тело, разделенные специаль­ным знаком: -.

· Заголовок - это факт, который был бы истинным, если бы были истинными несколько условий. Это называется выводом или зависимым отношением.

· Тело - это ряд условий, которые должны быть истинными, чтобы Пролог мог доказать, что заголовок правила истинен.

факты и правила- практически одно и то же, кроме того, что факты не имеют явного тела. Факты ведут себя так, как если бы они имели тело, которое всегда истинно.

Пролог всегда ищет решение, начиная с первого факта и/или правила, и просматри­вает весь список фактов и/или правил до конца.

Механизм логического вывода Пролога берет условия из правила (тело правила) и просматривает список известных фактов и правил, пытаясь удовлетворить условиям. Если все условия истинны, то зависимое отношение (заголовок правила) считается истинным. Если все условия не могут быть согласованы с известными фактами, то правило ничего не выводит.

Пролог базируется на предложениях Хорна, являющихся подмножеством формаль­ной системы, называемой логикой предикатов. Логика предикатов - это простейший способ объяснить, как "работает" мышление, и она проще, чем арифметика, которой вы давно пользуетесь.

Пролог использует упрощенную версию синтаксиса логики предикатов, он прост для понимания и очень близок к естественному языку.

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

Пролог включает механизм вывода, который основан на сопоставлении образцов. С помощью подбора ответов на запросы он извлекает хранящуюся (известную) ин­формацию. Пролог пытается проверить истинность гипотезы (другими словами - ответить на вопрос), запрашивая для этого информацию, о которой уже известно, что она истинна

Одной из важнейших особенностей Пролога является то, что, в дополнение к логи­ческому поиску ответов на поставленные вами вопросы, он может иметь дело с аль­тернативами и находить все возможные решения. Вместо обычной работы от начала программы до ее конца, Пролог может возвращаться назад и просматривать более одного "пути" при решении всех составляющих задачу частей.

2. Представление знаний, структуры данных в программах на языке Пролог.

2. структуры данных в программах на Прологе.

1. Представление знаний о предметной области в виде фактов и правил базы знаний Пролога.

Деревья относятся к рекурсивные структурам данных

Тип данных является рекурсивным, если он допускает структуры, содержащие такие же структуры, как и они сами.

Наиболее важным рекурсивным типом данных является список, хотя он и не выгля­дит непосредственно рекурсивной конструкцией.

Visual Prolog позволяет определить действительно рекурсивные типы, в которых ука­затели создаются и обрабатываются автоматически. Например, можно определить дерево следующим образом:

treetype = tree(string, treetype, treetype)

Эта декларация говорит о том, что дерево записывается как функтор tree, аргумен­тами которого являются строка и два других дерева.

Внутренняя база фактов (данных)

Внутренняя база фактов состоит из фактов, которые вы можете непосредственно добавлять и удалять из вашей программы на Visual Prolog во время ее исполнения. Вы можете объявлять предикаты, описывающие внутреннюю базу данных в разделе facts программы и применять эти предикаты таким же образом, как используются предикаты, описанные в разделе predicates.

Для добавления новых фактов в базу данных в Visual Prolog используются предикаты assert, asserta, assertz, а предикаты retract и retractall служат для удаления существующих фактов. Вы можете изменить содержание вашей базы фактов, снача­ла удалив факт, а потом вставив новую версию этого факта (или совершенно другой факт). Предикаты consult/1 и consult/2 считывают факты из файла и добавляют их к внутренней базе данных, a save/1 и save/2 сохраняют содержимое внутренней базы фактов в файле.

Visual Prolog интерпретирует факты, принадлежащие к базе данных, таким же обра­зом, как обычные предикаты. Факты предикатов внутренней базы фактов хранятся в таблице, которую можно легко изменять, тогда как обычные предикаты для дос­тижения максимальной скорости компилируются в двоичный код.

Ключевое слово facts (это синоним устаревшего слова database) определяет начало объявления раздела facts

Внешние базы данных в Visual Prolog

Система внутренних баз данных Visual Prolog, использующая предикаты asserta, assertz, retract и retractall, является простой и удобной. Однако она уступает в скорости работы с большими базами данных, отчасти из-за этих соображений была создана система внешних баз данных, с помощью которой можно, например, создать:

Систему управления запасами с большим количеством записей;

Экспертную систему со многими отношениями и небольшим количеством запи­сей сложной структуры;

Учетную систему для запоминания больших текстов в базе данных;

Пользовательскую базу, в которой данные связаны не реляционным путем.

2. структуры данных в программах на Прологе

Списки и рекурсия

Обработка списков, т. е. объектов, которые содержат произвольное число элемен­тов - мощное средство Пролога. В этой главе объясняется, что такое списки и как их объявлять. Затем приводится несколько примеров, в которых показано, как можно использовать обработку списков в задачах. Далее определяются два извест­ных предиката Пролога - member (член) и append (объединение) при рассмотрении процедурных и рекурсивных аспектов обработки списков.

После этого определяется стандартный предикат Visual Prolog - findall, который дает возможность находить и собирать все решения для одной цели.

Что такое список?

В Прологе список - это объект, который содержит конечное число других объектов. Списки можно грубо сравнить с массивами в других языках, но, в отличие от масси­вов, для списков нет необходимости заранее объявлять их размер.

Конечно, есть другие способы объединить несколько объектов в один. Если число объектов заранее известно, то вы можете сделать их аргументами одной составной структуры данных. Если число объектов не определено, то можно использовать ре­курсивную составную структуру данных, такую как дерево. Но работать со списками обычно легче, т. к. Visual Prolog обеспечивает для них более четкую запись.

Каждая составляющая списка называется элементом. Чтобы оформить списочную структуру данных, надо отделить элементы списка запятыми и заключить их в квад­ратные скобки. Вот несколько примеров:

["valerie ann", "Jennifer caitlin", "benjamin thomas"]

Объявление списков

Чтобы объявить домен для списка целых, надо использовать декларацию домена, такую как:

integerlist = integer*

Символ (*) означает "список чего-либо"; таким образом, integer* означает "список целых".

Обратите внимание, что у слова "список" нет специального значения в Visual Prolog. С тем же успехом можно назвать список "Занзибаром". Именно обозначение * (а не название), говорит компилятору, что это список.

Элементы списка могут быть любыми, включая другие списки. Однако все его эле­менты должны принадлежать одному домену. Декларация домена для элементов должна быть следующего вида:

elementlist = elements*

Здесь elements имеют единый тип (например: integer, real или symbol) или явля­ются набором отличных друг от друга элементов, отмеченных разными функторами. В Visual Prolog нельзя смешивать стандартные типы в списке. Например, следующая декларация неправильно определяет список, составленный из элементов, являющих­ся целыми и действительными числами или идентификаторами:

Головы и хвосты

Список является рекурсивным составным объектом. Он состоит из двух частей - головы, которая является первым элементом, и хвоста, который является списком, включающим все последующие элементы. Хвост списка - всегда список, голова списка - всегда элемент. Например:

голова [а, b, с] есть a

хвост [а, b, с] есть

Что происходит, когда вы доходите до одноэлементного списка? Ответ таков

голова[с] есть с

хвост [с] есть

Работа со списками

В Прологе есть способ явно отделить голову от хвоста. Вместо разделения элементов запятыми, это можно сделать вертикальной чертой "|". Например:

[а, b, с] эквивалентно [а| ] и, продолжая процесс,

[а | ] эквивалентно [а | ]], что эквивалентно [а| ] ]

Можно использовать оба вида разделителей в одном и том же списке при условии, что вертикальная черта есть последний разделитель. При желании можно набрать [а, b, с, d] как [а, b [с, d] ].

Использование списков

Список является рекурсивной составной структурой данных, поэтому нужны алго­ритмы для его обработки. Главный способ обработки списка - это просмотр и об­работка каждого его элемента, пока не будет достигнут конец.

Алгоритму этого типа обычно нужны два предложения. Первое из них говорит, что делать с обычным списком (списком, который можно разделить на голову и хвост), второе - что делать с пустым списком.

Подсчет элементов списка

Проверка нахождения в списке

3. Функциональные возможности Visual Prolog

1. Модульное программирование

2. объектный механизм

3. Средства создания графического интерфейса

1. Модульное программирование

Способность системы работать с программами, разбитыми на модули, - это еще одна положительная черта Visual Prolog. Вы можете писать, компоновать и компи­лировать модули раздельно, а затем связывать их вместе, чтобы создать одну выпол­няемую программу. Если вам надо изменить программу, то достаточно только отре­дактировать и перекомпилировать отдельные модули, а не всю программу в целом. Это вы непременно оцените при написании больших программ. Кроме того, мо­дульное программирование имеет еще и такое преимущество - по умолчанию все имена предикатов и доменов являются локальными. Это значит, что различные модули могут использовать одинаковые имена для разных целей. Visual Prolog ис­пользует две концепции для управления модульным программированием: глобальные объявления и проекты.

Глобальные объявления

По умолчанию все имена, используемые в модуле, являются локальными. Visual Prolog-программы взаимодействуют через границы модулей при помощи предикатов, определенных в разделах global predicates и в классах. Домены, определенные в этих глобальных разделах, должны быть определены как глобальные домены, либо должны быть стандартными доменами.

Начиная с версии 5.2, Visual Prolog обеспечивает управление глобальными объявлениями. А именно:

Главный модуль проекта (с разделом цели goal) должен содержать объявления всех глобальных доменов (и разделов глобальных фактов), объявленных во всех подмодулях проекта;

Любой другой проектный модуль содержит объявления только тех глобальных доменов, которые используются в этом модуле;

Глобальные объявления могут помещаться после локальных;

Если изменяется какое-либо глобальное объявление, то должны быть перекомпи­лированы только модули, включающие это объявление.

Глобальные домены

Вы делаете домен глобальным, записав его в разделе global domains. Во всем ос­тальном глобальные домены аналогичны локальным.

Visual Prolog версии 5.2 предоставляет усовершенствованное управление глобальны­ми доменами. Теперь не требуется, чтобы все модули содержали одинаковые объявления всех глобальных доменов в определенном порядке (в PDC Prolog и в версиях Visual Prolog до 5.2 для проверки этой идентичности использовалась специальная утилита chkdoms. exe). Теперь же вам нужно следовать двум правилам:

Только главный модуль проекта (с разделом цели) должен содержать объявления всех глобальных доменов (и разделов глобальных фактов), объявленных во всех подмодулях проекта;

Любой другой проектный модуль содержит объявления только тех глобальных доменов, которые используются в этом модуле.

Это дает следующие принципиальные преимущества:

Возможность создания и использования заранее скомпилированных библиотек (использующих глобальные домены);

Уменьшение времени компиляции: если изменяется какое-либо глобальное объ­явление, то должны быть перекомпилированы только модули, включающие это объявление;

Программы могут использовать больше доменов, т. к. модуль может включать только те глобальные домены, которые действительно используются в этом модуле.

Среда визуальной разработки Visual Prolog предоставляет гибкий автоматический механизм для управления включением объявлений глобальных доменов в модули проекта. Ядро этого механизма - диалоговое окно File Inclusion for Module, которое активизируется при создании нового модуля. Для небольших проектов вы можете использовать упрощенную стратегию обеспечения включения всех глобальных доме­нов в каждый проектный модуль. Для этого вам нужно:

Глобальные секции фактов

Раздел facts будет глобальным, если перед ключевым словом facts (можно исполь­зовать и устаревшее ключевое слово database) вставлено ключевое слово global.

Замечание

Размещать обязательно требующиеся инициализирующие предложения для single-фактов из глобальных секций фактов (баз данных) можно только после раз­дела goal в главном модуле проекта.

Поскольку Visual Prolog автоматически генерирует глобальный домен, соответст­вующий имени каждой глобальной секции фактов (базе данных), то все перечислен­ные правила управления глобальными доменами следует применить и к глобальным секциям фактов.

проекты

Если вы используете VDE, то эксперт приложений автоматически управляет созда­нием новых проектов и добавлением/удалением проектных модулей. Построитель программ (Make facility) VDE автоматически совершает операции компиляции и компоновки, необходимые для создания целевого модуля из исходных модулей проекта.

Следовательно, нужно объяснить здесь всего две особенности, которые будут важны в случае использования командной строки для вызова компилятора:

Как Visual Prolog-проект использует таблицу символов.

Visual Prolog-программы должны иметь цель (содержать Goal-секцию).

По умолчанию компилятор проверяет, имеет ли компилируемый файл раздел це­ли (Goal), и, если не имеет, - генерирует ошибку. Но в многомодульных проек­тах только один (главный) модуль проекта содержит раздел цели. Чтобы скомпи­лировать другие модули проекта, компилятор нужно проинформировать о том, что эти модули являются частями проекта и именно поэтому не содержат раздел цели. Это делается опцией компилятора командной строки - г.

Классы и объекты

Visual Prolog включает в себя объектный механизм, объединяющий парадигмы логи­ческого и объектно-ориентированного программирования (ООП).

Для того чтобы система могла рассматриваться как объектно-ориентированная, не­обходимо, чтобы она удовлетворяла четырем критериям. Это:

 инкапсуляция;

 наследование;

 индивидуальность.

Инкапсуляция

Необходимость инкапсуляции и модульности хорошо известны. Инкапсулированные объекты помогают создавать более структурированные и читаемые программы, по­скольку объекты могут рассматриваться как "черные ящики". Посмотрите на слож­ную программу и найдите часть, которую вы можете объявить и описать. Инкапсу­лируйте ее в объект, постройте интерфейс и продолжайте в том же духе, пока не будут объявлены все подпроблемы, составляющие программу. Когда вы разобьете всю программу на объекты и удостоверитесь, что каждый из них работает корректно, вы сможете абстрагироваться от них.

ООП также известно как программирование, управляемое данными. Фактически, вы позволяете объектам делать работу самим. Они содержат методы, которые вызыва­ются при создании объектов, при их удалении и, вообще, при любых обращениях к объектам. Методы могут вызывать и методы других объектов.

Объекты и классы

Способы хранения данных в традиционных языках программирования обычно труд­ны для понимания и не подходят для моделирования. С объектами работать гораздо проще, т. к. они близки к человеческому восприятию реальных вещей и сами по себе являются инструментом для моделирования.

Объект - гораздо более сложная структура данных, чем список. На элементарном уровне, объект - это объявление согласованных между собой данных. Это объявле­ние может содержать предикаты, которые работают с этими данными. В соответст­вии с терминологией ООП эти предикаты называются методами. Каждый класс представляет собой уникальный тип объектов и операций (методов), способных соз­давать такие объекты, удалять и манипулировать ими.

Класс - это определяемый пользователем тип объекта; класс может создавать объек­ты этого типа. Экземпляр - это фактическое состояние объекта. Вы можете опреде­лить столько экземпляров (объектов) класса, сколько вам необходимо.

Наследование

ООП - мощный инструмент для моделирования. Объекты могут быть определены на наиболее подходящем уровне абстракции . Относительно этого уровня объекты-наследники могут быть определены на более низких уровнях, или объекты-родители - на более высоких уровнях. Объект может наследовать данные и методы от объектов, определенных на более высоких уровнях. Таким образом, объекты - наиболее простой путь к созданию модульных программ.

Индивидуальность

Каждый объект уникален. Объекты изменяют свое состояние, и, т. к. состояния объ­ектов можно наблюдать только посредством их предикатов-членов (т. е. предикатов, объявленных внутри определения класса), объект идентичен лишь самому себе. Таким образом, даже если состояния двух объектов одинаковы, объекты не являются идентичными, ибо мы можем изменять состояние одного объекта, не изменяя при этом состояния другого, и в этом случае объекты становятся не идентичными.

Очень важной характеристикой объекта является то, что индивидуальность сохраня­ется, даже несмотря на изменение его атрибутов. Мы всегда получаем доступ к объ­екту через ссылку на него. К нему можно получить доступ и через множество раз­личных ссылок, а, т. к. объект идентичен только самому себе, мы можем организо­вать несколько ссылок на один и тот же объект.

Средства создания графического интерфейса

Визуальный интерфейс программирования VPI (Visual Programming Interface) - вы­сокоуровневый программный интерфейс, разработанный для облегчения создания программ на Visual Prolog, способный поддерживать сложные интерфейсы, исполь­зующие графические возможности современных операционных систем. Окна, меню, диалоговые окна, элементы управления, перья, кисти, курсоры, рисунки и т. д. - все эти ресурсы и инструментальные средства входят в состав Visual Prolog как про­стые структуры,

VPI делает возможным создание переносимого исходного кода, который может быть откомпилирован, чтобы работать в 16-разрядной конфигурации под MS Windows 3.1*, 32-разрядной - под Windows 95/98/ME, Windows NT/2000, под администратором представлений OS/2.

Управляемые событиями приложения

Современная операционная система, кроме обеспечения уровня, сервиса, активно вовлечена в процесс выполнения всех прило­жений. Приложение взаимодействует с пользователем косвенно через операционную систему. Когда пользователь делает что-либо (нажимает клавишу, перемещает мышь, щелкает на пиктограмме и т. д.), интерфейс аппаратного обеспечения генерирует событие, операционная система переводит это событие в стандартизированный формат сообщения и посылает уведомительное сообщение вызвавшему его элементу. Обычно это окно, которое является активным.

События могут достигать приложения асинхронно, поэтому приложение должно быть написано так, чтобы обеспечить целостность всех данных и процессов независимо от последовательности событий. Приложения, основанные на графическом интерфейсе пользователя, должны реагировать на свое окружение и не могут имити­ровать стандартное поведение приложений DOS. Приложения позади неактивных окон могут оставаться активными, могут писать или рисовать в своих неактивных окнах, и все это будет отображаться, если окно не закрыто или не перекрыто дру­гим. Приложение может в любое время активизировать одно из своих окон, чтобы запросить входные данные. Активное на этот момент окно становится неактивным, но его приложение продолжает работать.

Вообще, во время работы могут возникать самые разные ситуации, например, поль­зователь может получить срочный телефонный звонок. На него можно ответить, выбрав системную кнопку окна Task или меню файла и закрыв приложение. Опера­ционная система сообщает приложению о событии, посылая сообщение обработчи­ку событий окна Task . В большинстве многозадачных системах операционная сис­тема может приостановить ваше приложение в любое время. Приложение никогда не будет знать, запрашивал ли пользователь закрытие или это операционная система обнаружила сбой питания. Или если приложение хочет закрыть какое-то окно, то оно посылает этому окну запрос на закрытие CloseRequest точно так же, как поль­зователь, когда он выбирает команду Close в меню окна Task .

Конечно, вы можете уменьшить количество возможных событий и сообщений, бло­кируя пункты меню и кнопки управления. Часть обработки сообщений GUI-приложений может быть очень сложной, но это цена за большую гибкость. Про­лог и VPI существенно упрощают работу программиста по связыванию приложения с GUI операционной системы. Эксперт кода и браузер (The Code Expert and the Browser) облегчают поиск и обработку кода, который соответствует определенному событию, отвечая на определенное сообщение, и вы редко будете иметь дело с запу­танными деталями основной логики передачи сообщений.

Окна

Окно представляет собой прямоугольное пространство на экране. Окно используется приложением для вывода и ввода данных . Все пространство экрана рассматривается как специальное "экранное окно". Каждое окно разделяет экран с другими окнами, включая окна иных приложений, а иногда и операционной системы. Эти окна могут перекрывать друг друга.

Независимо от того, сколько приложений одновременно запущено, в любой момент времени активизировано лишь одно окно, т. е. только это окно может получать входные данные от пользователя. Активное окно всегда находится поверх остальных окон.

Все предикаты динамического создания окон формируют структуру в памяти, затем они отображают окно согласно этой управляющей структуре и присваивают окну дескриптор, который является уникальным номером. Дескрипторы присваиваются всем окнам, как видимым, так и скрытым. Почти все остальные VPI-предикаты в качестве входного параметра требуют дескриптор окна для доступа к нему. Загру­жаемые и готовые для использования ресурсы всех видов также имеют идентифика­торы или дескрипторы, с помощью которых к ним можно обращаться.

Каждое окно или диалоговое окно в приложении представлены не только структу­рой памяти, но также и предикатом обработчика событий окна, которому VPI посы­лает сообщения при возникновении пользовательских или системных событий, свя­занных с окном. Причем эти сообщения не обязательно синхронизированы с при­ложением. Приложение также может посылать события любому из своих обработчиков событий. В VPI названия событий из домена событий всегда имеют префикс е_.

Типы окон

Окна классифицируются по типам. Типы окон должны принадлежать домену windowtype и иметь префиксы w_ (для окон), wc_ (для элементов управления) или wd_ (для диалоговых окон). Тип окна может быть получен по дескриптору окна вызовом предиката win_GetType. Возможные типы окон перечислены.

Обычное окно документа

Дочернее окно

Окно экрана Screen

Модальное диалоговое окно

Немодальное диалоговое окно

Командная кнопка

Переключатель

Горизонтальная полоса прокрутки

Вертикальная полоса прокрутки

Поле редактирования

Статический текст

Раскрывающийся список

Поле редактирования с раскрывающимся списком

Групповой блок

Пиктограмма

Специальные (определяемые пользователем) элементы управления

Внутреннее окно, используемое во время печати

Внутреннее окно, используемое во время создания изображений

Внутреннее окно, используемое во время создания метафайлов/

Появление "Пролога" было обусловлено развитием логики, математики и программирования. Последнее сыграло самую существенную роль. Специалисты по логике и математике предприняли попытку поставить программирование на «правильный путь», но развитие информационных технологий показало совершенно другой результат.

Прагматичное императивное программирование оказалось перспективнее. "Пролог" как язык программирования состоялся, но основой для искусственного интеллекта не стал.

Классическое программирование против логики

Человек принимает сложные решения логично и обоснованно. Практически не задумываясь, человек поступает разумно. Если не брать в расчет решения, требующие сбора информации, ее анализа и сложных расчетов, то любой результат - это быстро, точно и обоснованно.

Этот факт всегда давал призрачное основание считать создание инструмента для принятия решений простым делом. С появлением "Пролога" казалось: вопрос искусственного интеллекта - дело техники, и человек разумный придумал три закона робототехники. Однако искусственный интеллект так и остался призраком, а три закона робототехники оказались из сказки - «сделай то, не знаю что».

Программирование в классическом значении этого слова (часто используют термины "процедурное", "императивное" или "функциональное") развивалось и успешно преодолело «смутные времена» 80-90-х годов, когда языков программирования было несчетное количество.

Показательная борьба между "Паскалем" и "Си" длилась долго, была жестокой, но закончилась нейтрально и тихо. Осталась идея хорошего языка программирования и несколько удачных ее реализаций.

Нельзя сказать, что "Пролог" как язык программирования не развивался. Но он не достиг обозначенных целей. Сегодня можно не только сказать, но и обосновать: "Пролог" - это академический язык для:

• целей обучения;
• логики предикатов;
• математики;
• узкого применения.

Сомнительно, что это утверждение можно опровергнуть. Искусственный интеллект - это не только широкое применение, но и слишком серьезное событие, кардинально меняющее общественное устройство и картину мира.

Программирование на языке "Пролог" для искусственного интеллекта не состоялось: за более чем сорокалетнюю историю языка не было ни одного кардинально нового, актуального для общественного сознания события, свидетельствующего об обратном.

Объективная реальность такова: выживает не столько сильнейшее, сколько востребованное и актуальное.

"Пролог" - язык декларативного программирования

Иметь инструмент описания фактов и правил - хорошо, но какой смысл? Факты и правила прекрасно ложатся в обычную базу данных. Квалифицированный классический программист предоставляет интерактивный диалог для пользователя, и последний решает свои задачи.

При необходимости программист дорабатывает диалог, а пользователь дополняет базу данных фактов и правил. Абсолютно рабочий и проверенный десятилетиями вариант реализации массы уже решенных и решаемых задач.

Декларативное изложение фактов и правил на любой реализации языка программирования "Пролог" - это условность, попытка формализовать реальность в ее интеллектуальном состоянии. Обычное программирование не трогает интеллект. Классическое программирование устраивает позиция: описание и обработка данных. Здесь есть масса проблем, но есть множество блестящих и работающих решений.

"Пролог" как язык программирования - это факты:

• мама (Мария, Наташа); - Мария - мама Наташи;
• папа (Евгений, Марина); - Евгений - папа Марины.

Здесь сразу за бортом оказывается факт: «Мария» и «Марина» - разные имена. Ничего не мешает дописать факт:

• папа (Евгений, Мария); - Евгений - папа Марии.

Эти описания дают жизнь правилам:

• родитель (x, y) <- папа (x, y);
• родитель (x, y) <- мама (x, y);

Но не позволяют сделать вывод, что папа - отец Марины, а Марина - мама Марии. Эта проблема решаемая, можно дописать еще одно правило, добавить еще один факт. Но сколько таких действий следует предпринять в реальной ситуации?

Фактически "Пролог" как язык программирования - пример декларации фактов и правил, но не логика, к которой привыкло сознание классического программиста. "Пролог" позиционирует себя как язык логики предикатов, но учиться программированию на нем можно только по примерам и образцам описаний от разработчиков конкретной реализации языка.

Семейство "Прологов"

Франция считается родиной "Пролога", а 1973 год - годом рождения. Интерес к языку периодически возобновлялся, но с завидной стабильностью затихал. Девиз языка: «Логика предикатов - это элементарно! Это способ объяснить, как работает мышление» - так и остался девизом.

Любая реализация языка программирования "Пролог" строго следовала логике предикатов, но всегда включала в себя классические идеи процедурного программирования. Правильнее сказать "императивного", поскольку этот термин употребляется с большей формальностью, чем процедурное, функциональное, объектно-ориентированное или иное.

Любое программирование - это данные и их обработка. Конструкции языка должны максимально точно описывать решаемую задачу, именно поэтому все известные реализации "Пролога": Turbo Prolog, Win Prolog, SWI Prolog, GNU Prolog, Visual Prolog и другие - содержат, помимо декларативных конструкций, обычные императивные выражения.

Считается, что семейство "Прологов" развивается в академических и научно-исследовательских организациях и поэтому как об общем языке можно говорить только в концептуальном смысле. Тем не менее сам факт, что концепция "Пролога" жива и развивается, можно считать: у этого языка есть область применения, и она востребована в определенном спектре задач.

Основа искусственного интеллекта

Интерес к искусственному интеллекту никогда не ослабевал, просто о нем начинают говорить, когда появляется очередной повод, но никогда "Пролог" не ассоциировался с искусственным интеллектом больше, чем обычный классический язык программирования.

В конце 80-х годов был реальный, актуальный и востребованный интеллектуальный проект «Изобретающая машина». Была реальная попытка применить "Пролог" для формализации огромной практичной базы знаний (данных) по изобретениям, физическим, химическим и иным закономерностям.

Результат не был достигнут, слишком много фактов и правил нужно было написать на "Прологе" как языке программирования, которые носят банальный императивный характер. Между тем параллельно была реализована масса успешных программных продуктов на обычных языках.

В начале 90-х годов был успешно реализован проект реальной интеллектуальной системы, моделирующей поведение ребенка в возрасте до 3-лет на ЕС ЭВМ! Вариант использования "Пролога" даже не рассматривался.

Данная интеллектуальная система не только «соображала», что такое мама, папа, и чем отличается Мария от Марины, но и без особого напряжения самостоятельно перескочила с приобретенных знаний по этим вопросам к мячикам и их отличиям от кубиков, к цветам предметов и... (!) к элементарной математике: простые арифметические операции оказались ей по силам на основании знаний, приобретенных при решении совсем других задач.

Можно не утверждать, что классическое программирование опережает "Пролог" в части освоения территории искусственного интеллекта, но оно дает реальные результаты.

Что касается интеллекта как задачи - видимо, вопрос здесь лежит не в языке, а в идее реализации. Если ассемблер 1991 года смог «стать основой» для интеллектуальной системы ситуативного интеллекта, то вопрос явно лежит не в языке реализации, а в идее.

Логическое программирование базируется на убеждении, что не человека следует обучать мышлению в терминах операций компьютера, а компьютер должен выполнять инструкции, свойственные человеку. В чистом виде логическое программирование предполагает, что инструкции даже не задаются, а сведения о задаче формулируются в виде логических аксиом. Такое множество аксиом является альтернативой обычной программе. Подобная программа может выполняться при постановке задачи, формализованной в виде логического утверждения, подлежащего доказательству (целевого утверждения ).

Идея использования логики исчисления предикатов I порядка в качестве основы языка программирования возникла в 60-е годы, когда создавались многочисленные системы автоматического доказательства теорем и вопросно-ответные системы. В 1965 г. Робинсон предложил принцип резолюции, который в настоящее время лежит в основе большинства систем поиска логического вывода. Метод резолюций был использован в системе GPS (general problem solver). В нашей стране была разработана система ПРИЗ, которая может доказать любую теорему из школьного учебника геометрии.

Язык программирования PROLOG (programming in logic) был разработан и впервые реализован в 1972 г. группой сотрудников Марсельского университета во главе с Колмероэ. Группа занималась проблемой автоматического перевода с одного языка на другой. Основа этого языка - исчисления предикатов I порядка и метод резолюций.

При программировании на Прологе усилия программиста должны быть направлены на описание логической модели фрагмента предметной области решаемой задачи в терминах объектов предметной области, их свойств и отношений между собой, а не деталей программной реализации. Фактически Пролог представляет собой не столько язык для программирования, сколько язык для описания данных и логики их обработки. Программа на Прологе не является таковой в классическом понимании, поскольку не содержит явных управляющих конструкций типа условных операторов, операторов цикла и т. д. Она представляет собой модель фрагмента предметной области, о котором идет речь в задаче. И решение задачи записывается не в терминах компьютера, а в терминах предметной области решаемой задачи, в духе модного сейчас объектно-ориентированного программирования.

Суть Пролога – программирование в терминах целей. Программист описывает условие задачи, пользуясь понятиями объектов различных типов и отношений между ними, и формулирует вопрос. PROLOG-система обеспечивает ответ на вопрос, находя автоматически последовательность вычисления решения, используя встроенную процедуру поиска. До 1981 г. число исследователей, занимавшихся логическим программированием, составляло около сотни во всем мире. В 1981 году PROLOG был выбран в качестве базового языка компьютеров пятого поколения, и количество исследователей логического программирования резко возросло. Одной из наиболее интересных тем исследований является связь логического программирования с параллелизмом.

Где же используется Пролог в настоящее время? Это область автоматического доказательства теорем, построение экспертных систем, машинные игры с эвристиками (например, шахматы), автоматический перевод с одного языка на другой.

В настоящее время создано достаточно много реализаций языка Пролог: Wisdom Prolog, SWI Prolog, Turbo Prolog, Visual Prolog, Arity Prolog и т.д.

В нашем курсе будем использовать SWI Prolog. SWI-Prolog развивается с 1987 года. Его создателем и основным разработчиком является Ян Вьелемакер (Jan Wielemaker). Название SWI происходит от Sociaal-Wetenschappelijke Informatica (гол. социально-научная информатика), первоначального названия группы в Амстердамском университете, где работает Вьелемакер.

SWI-Prolog позволяет разрабатывать приложения любой направленности, включая Web-приложения и параллельные вычисления, но основным направлением использования является разработка экспертных систем, программ обработки естественного языка, обучающих программ, интеллектуальных игр и т.п. Это интерпретатор. Файлы, содержащие программы, написанные на языке SWI Prolog, имеют расширение pl.

SWI-Prolog-Editor является средой программирования для языка SWI-Prolog, включающую редактор программ с подсветкой синтаксиса, интерпретатор и отладчик программ. Основным назначением среды является обучение логическому программированию на языке Prolog.

Сначала устанавливаем SWI Prolog, затем - SWI Prolog Editor. Для запуска редактора SWI Prolog Editor необходимо запустить файл SwiplEdit.exe. Для настройки работы интерпретатора в специальном окне редактора, следует установить путь к интерпретатору, выполнив в редакторе команду Окно-Конфигурация на закладке Программы установить в строке Папка Пролога путь к интерпретатору. Там же, на закладке Настройки необходимо установить поле Codepage равным cp1251. Настройка кодовой страницы необходима для правильного сопоставления строковых констант, набранных русским алфавитом, между текстом программы в среде SWI-Prolog-Editor и языком SWI-Prolog. Для запуска программы из панели редактирования программ ее следует сохранить и нажать функциональную клавишу F9 или соответствующий значок на панели инструментов. В случае успешной загрузки на панели запросов появится:

Consult(<имя файла>).

Загрузить файл можно так же с помощью команды: [<имя файла>].

После любой модификации программу требуется заново загрузить в память. Перезапуск интерпретатора Пролога осуществляется нажатием Ctrl+F9 или соответствующего значка на панели инструментов.

Для выхода из интерпретатора Пролога используется команда: halt.

Факты и правила

Как уже отмечалось Пролог использует исчисление предикатов первого порядка. Предикаты определяют отношения между объектами. Рассмотрим дерево родственных отношений:

Рисунок 10 - Дерево родственных отношений

Пример 1: Это дерево можно описать следующей Пролог-программой.

родитель(пам, боб).

родитель(том, боб).

родитель(том, лиз).

родитель(боб, энн).

родитель(боб, пат).

родитель(пат, джим).

У нас имеется отношение родитель между двумя объектами. Описаны 6 фактов наличия отношений между конкретными объектами. Имена объектов начинаются с маленьких букв (они являются константами). В Прологе принято соглашение, что константы начинаются с маленькой буквы, а переменные – с большой. После набора такой Пролог-программы в редакторе можно загрузить программу в Пролог и задавать вопросы, касающиеся отношения родитель.

Запрос к программе набирается после приглашения?- и должен заканчиваться точкой. Для выполнения набранного запроса необходимо нажать Enter. Ответ будет выдан под запросом. Запрос может быть набран в несколько строк - для перехода на новую строку используется клавиша Enter. В том случае, если строка будет заканчиваться точкой и будет нажата клавиша Enter SWI-Prolog начнет выполнение запроса. Если возможны несколько вариантов ответа на запрос, то для получения каждого следующего используется клавиша Enter. Варианты ответов SWI-Prolog отделяет друг от друга точкой с запятой. Прекратить выполнение программы (выдачу альтернативных ответов) можно нажав клавишу «a».

Вопросы могут быть простые и сложные (в качестве связки «и» при составлении сложного вопроса используется запятая). Ответы Пролог-системы выводятся сразу после вопроса. Могут быть следующие варианты ответов:

• No (соответствует нет или не найдены значения переменных в вопросе);

  Перечисляются возможные значения переменных в вопросе. При этом при нажатии клавиши «a» поиск решений прекращается, а при нажатии клавиши Enter, продолжается поиск новых решений до тех пор, пока не будут найдены все. Альтернативные решения разделяются точкой с запятой. Вывод завершается словом Yes, если не все решения были найдены и No, если других решений не осталось.

Вопрос относительно отношения родитель	Вопрос в Пролог-системе	Ответ Пролог-системы
Боб является родителем Пат?	родитель(боб,пат).
Пат – ребенок Лиз?	родитель(лиз,пат).
Кто родители Лиз?	родитель(X,лиз).
Кто дети Энн?	родитель(энн, X).
Кто дети Боба?	родитель(боб,X).
Есть ли дети у Лиз?	родитель(лиз,_).
Кто чей родитель?	родитель(X,Y).
Кто внуки Тома?	родитель(том,X), родитель(X,Y).
Кто родители родителей Джима?	родитель(X,джим), родитель(Y,X).

Итак, в простейшем случае Пролог-программа описывает факты и правила.

Факт – это безусловное утверждение (всегда истинное), характеризующее объект с некоторой стороны или устанавливающее отношение между несколькими объектами. Факт не требует доказательств. Факт имеет следующий вид:

<имя предиката>(O 1 ,O 2 ,…,O n).

Обратим внимание на то, что в конце факта ставится точка. <имя предиката> должно начинаться со строчной буквы и может содержать буквы, цифры, знаки подчеркивания. О i (i = 1,..,n) - аргументы предиката могут быть конкретными объектами (константами) или абстрактными объектами (переменными). Если конкретные объекты начинаются с буквы, то эта буква должна быть строчной.

Переменные начинаются с прописной буквы или символа подчеркивания. 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 – 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 и то же имя переменной для обозначения разных объектов. Исключением из правила определения области действия является анонимная переменная, которая обозначается символом подчеркивания. Анонимная переменная предписывает интерпретатору проигнорировать значение переменной. Если в правиле несколько анонимных переменных, то все они отличаются друг от друга, несмотря на то, что записаны с использованием одного и того же символа.

Правило – утверждение, которое истинно при выполнении некоторых условий. Правило состоит из условной части (тела) и части вывода (головы). Головой правила является предикат, истинность которого следует установить. Тело правила состоит из одного или нескольких предикатов, связанных логическими связками: конъюнкция (обозначается запятой), дизъюнкция (обозначается точкой с запятой) и отрицание (означается not или \+). Правило имеет следующий вид:

<голова правила > :–­­­­ <тело правила>.

В конце правила так же ставится точка. Можно считать, что факт – это правило, имеющее пустое тело.

С помощью правил можно описывать новые отношения.

Пример: Пусть имеется двуместное отношениеродительи одноместное отношение мужчина. Эти отношения описываются в виде фактов. Опишем новое двуместное отношениедед, используя правила.Xявляется дедомY, если существует цепочка:X– родительZ,Z– родительY, при этомXдолжен быть мужчиной.

дед(X,Y):–­­­­родитель(X,Z),родитель(Z,Y),мужчина(X).

Пример: Пусть имеется двуместное отношение родитель, описанное в виде фактов. Опишем новое двуместное отношение предок, используя правила. X является предком Y, если X – родитель Y или существует цепочка людей между Х и Y, связанных отношением родитель.

предок(X,Y):–­­­­родитель(X,Y).

предок(X,Y):–­­­­родитель(X,Z),предок(Z,Y).

Эти правила можно записать по-другому:

предок(X,Y):–­­­­родитель(X,Y);­­­

родитель(X,Z),предок(Z,Y).

В данном примере получили рекурсивное определение отношения предок.

Пример. Определим двуместное отношение дальний_родственник с помощью правила, используя имеющееся отношение предок. X является дальним родственником Y, если они связаны отношением предок, но при этом не связаны отношением родитель.

дальний_родственник (X,Y):–­­­предок(X,Y),not(родитель(X,Y));­­­

предок(Y,X),not(родитель(Y,X)).

В правой части правила для сравнения можно использовать знаки @<, @=<, @>=, @> для проверки на упорядоченность, == для проверки на равенство и \== для проверки на неравенство.