Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта - Иван Братко

5.2. Следующие отношения распределяют числа на три класса - положительные, нуль и отрицательные:

класс( Число, положительные) :- Число > 0.

класс( 0, нуль).

класс( Число, отрицательные) :- Число < 0.

Сделайте эту процедуру более эффективной при помощи отсечений.

5.3. Определите процедуру

разбить( Числа, Положительные, Отрицательные)

которая разбивает список чисел на два списка: список, содержащий положительные числа (и нуль), и список отрицательных чисел. Например,

разбить( [3, -1, 0, 5, -2], [3, 0, 5], [-1, -2] )

Предложите две версии: одну с отсечением, другую — без.

5.3. Отрицание как неуспех

"Мэри любит всех животных, кроме змей". Как выразить это на Прологе? Одну часть этого утверждения выразить легко: "Мэри любит всякого X, если X — животное". На Прологе это записывается так:

любит( мэри, X) :- животное ( X).

Но нужно исключить змей. Это можно сделать, использовав другую формулировку:

 Если X — змея, то "Мэри любит X" — не есть истина,

 иначе, если X — животное, то Мэри любит X.

Сказать на Прологе, что что-то не есть истина, можно при помощи специальной цели fail (неуспех), которая всегда терпит неудачу, заставляя потерпеть неудачу и ту цель, которая является ее родителем. Вышеуказанная формулировка, переведенная на Пролог с использованием fail, выглядит так:

любит( мэри, X) :-

 змея( X),  !,  fail.

любит( Мэри, X) :-

 животное ( X).

Здесь первое правило позаботится о змеях: если X — змея, то отсечение предотвратит перебор (исключая таким образом второе правило из рассмотрения), а fail вызовет неуспех. Эти два предложения можно более компактно записать в виде одного:

любит( мэри, X):-

 змея( X), !, fail;

 животное ( X).

Ту же идею можно использовать для определения отношения

различны( X, Y)

которое выполняется, если X и Y не совпадают. При этом, однако, мы должны быть точными, потому что "различны" можно понимать по-разному:

• X и Y не совпадают буквально;

• X и Y не сопоставимы;

• значения арифметических выражений X и Y не равны.

Давайте считать в данном случае, что X и Y различны, если они не сопоставимы. Вот способ выразить это на Прологе:

 Если X и Y сопоставимы, то

  цель различны( X, Y) терпит неуспех

  иначе цель различны( X, Y) успешна.

Мы снова используем сочетание отсечения и fail:

различны( X, X) :- !, fail.

различны( X, Y).

То же самое можно записать и в виде одного предложения:

различны( X, Y) :-

 X = Y, !, fail;

 true.

Здесь true — цель, которая всегда успешна.

Эти примеры показывают, что полезно иметь унарный предикат "not" (не), такой, что

nоt( Цель)

истинна, если Цель не истинна. Определим теперь отношение not следующим образом:

 Если Цель успешна, то not( Цель) неуспешна,

 иначе not( Цель) успешна.

Это определение может быть записано на Прологе так:

not( P) :-

 P, !, fail;

 true.

Начиная с этого момента мы будем предполагать, что  not — это встроенная прологовская процедура, которая ведет себя так, как это только что было определено. Будем также предполагать, что оператор not определен как префиксный, так что цель

not( змея( X) )

можно записывать и как

not змея( X)

Многие версии Пролога поддерживают такую запись. Если же приходится иметь дело с версией, в которой нет встроенного оператора not, его всегда можно определить самим.

Следует заметить, что not, как он здесь определен с использованием неуспеха, не полностью соответствует отрицанию в математической логике. Эта разница может породить неожиданности в поведении программы, если оператором not пользоваться небрежно. Этот вопрос будет рассмотрен в данной главе позже.

Тем не менее not — полезное средство, и его часто можно с выгодой применять вместо отсечения. Наши два примера можно переписать с not:

любит( мэри, X) :-

 животное ( X),

 not змея( X).

различны( X, Y) :-

 not( X = Y).

Это, конечно, выглядит лучше, нежели наши прежние формулировки. Вид предложений стал более естественным, и программу стало легче читать.

Нашу программу теннисной классификации из предыдущего раздела можно переписать с использованием not так, чтобы ее вид был ближе к исходным определениям наших трех категорий:

класс( X, боец) :-

 победил( X, _ ),

 победил( _, X).

класс( X, победитель) :-

 победил( X, _ ),

 not победил( _, X).

класс( X, спортсмен) :-

 not победил( X, _ ).

В качестве еще одного примера использования not рассмотрим еще раз программу 1 для решения задачи о восьми ферзях из предыдущей главы (рис. 4.7). Мы определили там отношение небьет между некоторым ферзем и остальными ферзями. Это отношение можно определить также и как отрицание отношения "бьет". На рис. 5.3 приводится соответствующим образом измененная программа.

решение( []).

решение( [X/Y | Остальные] ) :-

 решение( Остальные),

 принадлежит( Y, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] ),

 not бьет( X/Y, Остальные).

бьет( X/Y, Остальные) :-

 принадлежит( X1/Y1, Остальные),

 ( Y1 = Y;

   Y1 is Y + X1 - X;

   Y1 is Y - X1 + X ).

 принадлежит( А, [А | L] ).

принадлежит( А, [В | L] ) :-

 принадлежит( А, L).

% Шаблон решения

шаблон( [1/Y1, 2/Y2, 3/Y3, 4/Y4, 5/Y5, 6/Y6, 7/Y7, 8/Y8]).

Рис. 5.3.  Еще одна программа для решения задачи о восьми ферзях.

5.4. Даны два списка Кандидаты и Исключенные, напишите последовательность целей (используя принадлежит и not), которая, при помощи перебора, найдет все элементы списка Кандидаты, не входящие в список Исключенные.

5.5. Определите отношение, выполняющее вычитание множеств:

разность( Множ1, Множ2, Разность)

где все три множества представлены в виде списков. Например,

разность( [a, b, c, d], [b, d, e, f], [a, c] )

Посмотреть ответ

5.6. Определите предикат

унифицируемые( Спис1, Терм, Спис2)

где Спис2 — список всех элементов Спис1, которые сопоставимы с Терм'ом, но не конкретизируются таким сопоставлением. Например:

?-  унифицируемые( [X, b, t( Y)], t( a), Спис).

Спис = [ X, t( Y)]

Заметьте, что и X и Y должны остаться неконкретизированными, хотя сопоставление с t( a) вызывает их конкретизацию. Указание: используйте not ( Терм1 = Терм2). Если цель Терм1 = Терм2 будет успешна, то not( Терм1 = Tepм2) потерпит неудачу и получившаяся конкретизация будет отменена!

5.4. Трудности с отсечением и отрицанием

Используя отсечение, мы кое-что выиграли, но не совсем даром. Преимущества и недостатки применения отсечения были показаны на примерах из предыдущих разделов. Давайте подытожим сначала преимущества:

(1) При помощи отсечения часто можно повысить эффективность программы. Идея состоит в том, чтобы прямо сказать пролог-системе: не пробуй остальные альтернативы, так как они все равно обречены на неудачу.

(2) Применяя отсечение, можно описать взаимоисключающие правила, поэтому есть возможность запрограммировать утверждение:

 если условие P, то решение Q,

 иначе решение R

Выразительность языка при этом повышается.

Ограничения на использование отсечения проистекают из того, что есть опасность потерять такое важное для нас соответствие между декларативным и процедурным смыслами программы. Если в программе нет отсечений, то мы можем менять местами порядок предложений и целей, что повлияет только на ее эффективность, но не на декларативный смысл. Если же отсечения в ней присутствуют, то изменение порядка предложений может повлиять на ее декларативный смысл. Это значит, что программа с измененным порядком, возможно, будет давать результаты, отличные от результатов исходной программы. Вот пример, демонстрирующий этот факт:

p :- а, b.

p :- с.

Декларативный смысл программы: p истинно тогда и только тогда, когда истинны одновременно и а, и b или истинно с. Это можно записать в виде такой логической формулы: