Программирование на языке пролог

разбить(Н,[А|Х],Y,[А|Z]):- А › Н, разбить(Н,Х,Y,Z).

разбить(_,[], [],[]).

Тогда программа быстрой сортировки примет вид:

бысорт([],[]).

бысорт([H|T],S):-разбить(Н,Т,А,В),бысорт(А,А1),бысорт(В,В1), присоединить(А1, [H|B1],S).

Предикат присоединитьможно встроить внутрь программы сортировки. Тогда получается другой предикат

бысорт2 ([H|T], S,X):-разбить(Н,T,А,В), бысорт2(А,S,[Н|Y]), бысорт2(B,Y,X).

бысорт2([],Х,Х).

В этом случае третий аргумент используется как временная рабочая область, и при обращениях к бысорт2этот аргумент должен заполняться пустым списком.

Более подробные сведения о методах сортировки можно найти в книге D. Knuth, The Art of Computer Programming,v. 3 (Sort and Searching), Addison-Wesley, 1973 (Имеется перевод: Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ, т. 3 (Сортировка и поиск). М.: Мир, 1978.- Перев.)Метод быстрой сортировки Хоора описан в его статье в Computer Journal n. 5 (1962), стр. 10-15.

Упражнение 7.5.Проверьте, что предикат перестановка (L1, L2)строит все перестановки заданного списка L1(причем каждую по одному разу) и выдает их как альтернативные значения списка L2. В каком порядке строятся эти решения?

Упражнение 7.6.Быстрая сортировка лучше всего работает ка больших списках, поскольку там она обеспечивает более быструю сходимость к решению. В то же время объем работы, выполняемой на каждом уровне рекурсии быстрой сортировки, превышает то, что делается в других методах, из-за использования разбить. Поэтому, при сортировке небольших списков рекурсивные вызовы бысорт,видимо, можно заменить обращениями к другим методам сортировки, например, к сортировке включением. Разработайте «гибридную» программу, которая использует быструю сортировку для обработки больших подсписков (списков, полученных с помощью предиката разбить),но переключается на другой метод (сортировка включением) при значительном уменьшении длины подсписка. Подсказка: поскольку разбитьдолжен просмотреть все элементы списка, то он может заодно подсчитать и длину списка.

7.8. Использование базы данных: random, генатом, найтивсе

Во всех программах, которые рассматривались до сих пор, база данных использовалась лишь для хранения фактов и правил, с помощью которых определяются предикаты. Можно использовать базу данных и для хранения обычных структур, т. е. таких, которые порождаются при выполнении программы. До сих пор для передачи таких структур от одного предиката к другому мы применяли механизм аргументов. Однако существуют доводы в пользу хранения этой информации в базе данных. Иногда некоторый элемент информации может потребоваться во многих частях программы. Передача его через механизм аргументов может привести к появлению одного – двух дополнительных аргументов у большинства предикатов. Другим доводом является возможность сохранения информации при возвратном ходе. В этом разделе мы рассмотрим три предиката, которые позволяют хранить в базе данных структуры, время жизни которых превышает то, что может быть обеспечено с помощью переменных. Вот эти три предиката: random,вырабатывающий при каждом вызове псевдослучайное целое, найтивсе,порождающий список всех структур, обеспечивающих истинность данного предиката, и генатом,порождающий атомы с различающимися именами.

Генератор случайных чисел (random)

Цель random(R, N)конкретизирует Nцелым числом, случайно выбранным в диапазоне от 1до R. Метод выбора случайного числа основан на конгруэнтном методе с использованием начального числа («затравки») инициализируемого произвольным целым числом. Каждый раз, когда требуется случайное число, ответ вычисляется на основе существующего начального значения, и при этом порождается новое начальное число, которое сохраняется до тех пор, пока вновь не потребуется вычислить случайное число. Для хранения начального числа между вызовами randomмы используем базу данных. После того как начальное число использовано, мы убираем (с помощью retract)из базы данных старую информацию о начальном числе, вычисляем его новое значение, и засылаем в базу данных новую информацию (с помощью asserta).Исходное начальное значение – это просто факт в базе данных, с функтором seedимеющим одну компоненту – целое значение начального числа.

seed(13).

random (R,N):-seed(S),N is (S mod R) + 1,retract(seed(S)),NewSeed is (125 * S + 1) mod 4096,asserta(seed(NewSeed)),!.

Используя семантику retractможно упростить определение randomследующим образом:

random(R,N):-retract(seed(S)),N is (S mod R)+1,NewSeed is (125 * S +1) mod 4096,asserta(seed(NewSeed)),!.

Для того, чтобы напечатать последовательность случайных чисел, расположенных в диапазоне между 1 и 10, которая обры-вается после того, как будет порождено значение 5, нужно задать следующий вопрос:

?- repeat, random(10,X), write(X), nl, X=5.

Генератор имен (генатом)

Предикат генатомпозволяет порождать новые атомы Пролога. Если у нас есть программа, которая воспринимает информацию об окружающем мире (например, путем анализа описывающих его предложений на английском языке), то в случае появления в этом мире нового объекта возникают трудности с его обозначением. Естественно представлять объект атомом Пролога. Если объект ранее не встречался, мы должны убедиться в том, что тот атом, который мы ему сопоставляем, случайно не совпал с другим атомом, уже представляющим какой-то другой объект. Иными словами, нам необходимо иметь возможность формировать новые атомы. Мы можем также потребовать, чтобы созданный атом имел также некоторое мнемоническое значение: это облегчит понимание информации выводимой нашей программой. Если бы атомы представляли, скажем, студентов, то целесообразно было быназвать первого студента – студент1,второго – студент2, третьего – студентЗи т. д. Если к тому же нам нужно было бы работать с объектами представляющими еще и преподавателей, то можно было бы выбрать для их представления атомы преподаватель1, преподаватель2, преподавательЗи т. д.

Функция программы генатомсостоит в том, чтобы порождать новые атомы от заданных корней (таких как студенти преподаватель).Для каждого корня программа запоминает, какой номер был использован в последний раз. Поэтому, когда в следующий раз от нее требуется породить атом с данным корнем можно гарантировать, что он будет отличаться от тех, что были порождены ранее. Так, когда вопрос

?- генатом(студент,X).

задан впервые, ответом будет

X = студент1

В следующий же раз ответом будет

X = студент2

и т. д.

Заметим, что эти различающиеся решения при возвратном ходе не порождаются ( генатом(Х, Y)нельзя согласовать вновь), они порождаются последующими целями, включающими этот предикат.

В определении генатомиспользуется вспомогательный предикат тек_номер. Контроль за тем, какой номер использовать следующим для данного корня, осуществляется программой генатомпутем записи в базу данных фактов вида тек_номери удаления фактов, которые стали ненужными. Факт тек_номер (Корень, Номер)означает, что последний номер, использованный с корнем Корень,был Номер.Иными словами, последний атом, порожденный для этого корня, состоял из литер, взятых из Корень,за которыми был приформирован номер, взятый из Номер.Когда Пролог пытается доказать согласованность цели генатом, обычно делается следующее: последний факт тек_номердля заданного корня удаляется из базы данных, к его номеру прибавляется 1, и новый факт тек_номерзапоминается в базе данных, заменяя исключенный факт. С этого момента новый номер может быть использован как основа для порождения нового атома. Хранить информацию о текущем номере в базе данных очень удобно. В противном случае каждый предикат, прямо или косвенно участвующий в выполнении генатом, должен был бы пересылать информацию о текущих номерах через дополнительные аргументы.

Последние несколько утверждений этой программы определяют предикат целое_имя,который используется для преобразования целого числа в последовательность литер-цифр. Атомы, порождаемые генатом,формируются с помощью встроенного предиката name,который формирует атом из литер корня, за которыми следуют цифры номера. В некоторых реализациях Пролога используется версия предиката name,которая выполняет также функции предиката целое_имя,однако весьма поучительно посмотреть, как его можно определить на Прологе. В этом определении неявно используется тот факт, что коды ASCII для цифр 0, 1, 2 и т. д. равны соответственно 48, 49, 50 и т. д. Поэтому, чтобы преобразовать число меньшее 10 в код ASCII соответствующей цифры, достаточно прибавить к этому числу 48. Перевести в последовательность литер число, большее 9, сложнее. Последнюю цифру такого числа получить легко, поскольку это просто остаток от деления на 10 (число mod 10).Таким образом, цифры числа легче формировать в обратном порядке. Мы просто циклически повторяем следующие операции: получение последней цифры, вычисление остальной части числа (результат его целого деления на 10). Определение этого на Прологе выглядит следующим образом:

цифры_наоборот(N,[С]):- N‹10,!, С is N+48.

цифры_наоборот(М,[С|Сs]):-С is (N mod 10) + 48,N1 is N/10,цифры_нaoбopот(N1,Cs).

Чтобы получить цифры в правильном порядке, применим трюк: в этот предикат добавим дополнительный аргумент – список «уже сформированных» цифр, С помощью этого аргумента мы можем получать цифры по одной в обратном порядке, но в итоговый список вставлять их в прямом порядке. Это делается следующим образом. Пусть у нас есть число 123. В начале список «уже сформированных» цифр есть []. Первым получаем число 3, которое преобразуется в литеру с кодом 51. Затем мы рекурсивно вызываем целое_имя,чтобы найти цифры числа 12. Список «уже сформированных» цифр, который передается в это целевое утверждение, содержит литеру, вставленную в исходный список «уже сформированных» цифр – это список [51]. Вторая цель целое_имявыдает код 50 (для цифры 2) и снова вызывает целое_имя,на этот раз с числом 1 и со списком «уже сформированных» цифр [50, 51]. Эта последняя цель успешно выполняется и, поскольку число было меньше 10, дает ответ [49,50,51]. Этот ответ передается через аргументы разных целей целое_имяи дает ответ на исходный вопрос – какие цифры соответствуют числу 123?