Пример программы: родственные отношения
Иван Братко
Программирование на языке Пролог для искусственного интеллекта
Посвящается Бранке, Андрею и Тадею
От редактора перевода
По существующей традиции предисловие редактора перевода — это своего рода рецензия, в которой обычно излагается история вопроса, а затем дается обзор содержания книги и оценка ее качества (как правило, рекламного характера). В данном случае моя задача несколько упрощается, так как все это читатель, перевернув страницу, найдет в предисловии известного американского ученого, специалиста по искусственному интеллекту П. Уинстона, а затем — в предисловии автора. Мне остается только присоединиться к авторитетному мнению П. Уинстона, что перед нами прекрасно написанный учебник до Прологу, ориентированный на практическое использование в области искусственного интеллекта. Добавлю также, что для советского читателя потребность в такой книге особенно велика, поскольку в нашей стране Пролог пока еще не получил того распространения, которого он заслуживает.
Несколько замечаний относительно особенностей перевода. Кроме обычных терминологических трудностей, как правило возникающих при переводе книг по программированию, переводчикам пришлось преодолевать одну дополнительную сложность. Дело в том, что в Прологе идентификаторы (имена переменных, процедур и атомов) несут на себе значительно большую смысловую нагрузку, чем в традиционных языках программирования. Поэтому программные примеры пришлось излагать на некоей условной русской версии Пролога — в противном случае, для читателей, не владеющих английским языком, эти примеры стали бы значительно менее понятными. Мы оставили без перевода все имена встроенных операторов и процедур, все же остальные имена переводились на русский язык. Следует признать, что в ряде случаев русская версия этих имен оказалась менее эстетически привлекательной, чем исходный английский вариант. Пытаясь наиболее точно передать смысл того или иного имени, переводчик нередко оказывался перед нелегким выбором между громоздким идентификатором (иногда из нескольких слов) и неблагозвучной аббревиатурой. Впрочем, все эти проблемы хорошо известны любому "русскоязычному" программисту.
|
|
|
Главы 1-8 перевел А.И. Лупенко, а предисловия и главы 9-16 — А.М. Степанов. Подготовку оригинала-макета книги на ЭВМ выполнили А.H. Черных и H.Г. Черных.
Эту книгу можно рекомендовать как тем читателям, которые впервые приступают к изучению Пролога и искусственного интеллекта, так и программистам, уже имеющим опыт составления пролог-программ.
|
|
|
А. М. Степанов
Предисловие
В средние века знание латинского и греческого языков являлось существенной частью образования любого ученого. Ученый, владеющий только одним языком, неизбежно чувствовал себя неполноценным, поскольку он был лишен той полноты восприятия, которая возникает благодаря возможности посмотреть на мир сразу с двух точек зрения. Таким же неполноценным ощущает себя сегодняшний исследователь в области искусственного интеллекта, если он не обладает основательным знакомством как с Лиспом, так и с Прологом — с этими двумя основополагающими языками искусственного интеллекта, без знания которых невозможен более широкий взгляд на предмет исследования.
Сам я приверженец Лиспа, так как воспитывался в Массачусетском технологическом институте, где этот язык был изобретен. Тем не менее, я никогда не забуду того волнения, которое я испытал, увидев в действии свою первую программу, написанную в прологовском стиле. Эта программа была частью знаменитой системы Shrdlu Терри Винограда. Решатель задач, встроенный в систему, работал в "мире кубиков" и заставлял руку робота (точнее, ее модель) перемещать кубики на экране дисплея, решая при этом хитроумные задачи, поставленные оператором.
|
|
|
Решатель задач Винограда был написан на Микропленнере, языке, который, как мы теперь понимаем, был своего рода Прологом в миниатюре. Любой прологоподобный язык заставляет программиста мыслить в терминах целей, поэтому, несмотря на все недостатки Микропленнера, достоинством этой программы было то, что в ее структуре содержались многочисленные явные указания на те или иные цели. Процедуры-цели "схватить", "освободить", "избавиться", "переместить", "отпустить" и т.п. делали программу простой и компактной, а поведение ее казалось поразительно разумным.
Решатель задач Винограда навсегда изменил мое программистское мышление. Я даже переписал его на Лиспе и привел в своем учебнике по Лиспу в качестве примера — настолько эта программа всегда поражала меня мощью заложенной в ней философии "целевого" программирования, да и само программирование в терминах целей всегда доставляло мне удовольствие.
Однако учиться целевому программированию на примерах лисповских программ — это все равно, что читать Шекспира на языке, отличном от английского. Какое-то впечатление вы получите, но сила эстетического воздействия будет меньшей, чем при чтении оригинала. Аналогично этому, лучший способ научиться целевому программированию — это читать и писать программы на Прологе, поскольку сама сущность Пролога как раз и состоит в программировании в терминах целей.
|
|
|
В самом широком смысле слова эволюция языков программирования — это движение от языков низкого уровня, пользуясь которыми, программист описывает, как что-либо следует делать, к языкам высокого уровня, на которых просто указывается, что необходимо сделать. Так, например, появление Фортрана освободило программистов от необходимости разговаривать с машиной на прокрустовом языке адресов и регистров. Теперь они уже могли говорить на своем (или почти на своем) языке, только изредка делая уступки примитивному миру 80-колонных перфокарт.
Однако Фортран и почти все другие языки программирования все еще остаются языками типа "как". И чемпионом среди этих языков является, пожалуй, современный модернизированный Лисп. Так, скажем, Common Lisp, имея богатейшие выразительные возможности, разрешает программисту описывать наиболее "выразительно" именно то, как что-либо следует делать. В то же время очевидно, что Пролог порывает с традициями языков типа "как", поскольку он определенным образом направляет программистское мышление, заставляя программиста давать определения ситуаций и формулировать задачи вместо того, чтобы во всех деталях описывать способ решения этих задач.
Отсюда следует, насколько важен вводный курс по Прологу для всех студентов, изучающих вычислительную технику и программирование — просто не существует лучшего способа понять, что из себя представляет программирование типа "что".
Многие страницы этой книги могут служить хорошей иллюстрацией того различия, которое существует между этими двумя стилями программистского мышления. Например, в первой главе это различие иллюстрируется на задачах, относящихся к семейным отношениям. Прологовский программист дает простое и естественное описание понятия "дедушка": дедушка — это отец родителя. На Прологе это выглядит так:
дедушка( X, Z) :- отец( X, Y), родитель( Y, Z).
Как только пролог-система узнала, что такое дедушка, ей можно задать вопрос, например: кто является дедушкой Патрика? В обозначениях Пролога этот вопрос и типичный ответ имеют вид:
?- дедушка( X, патрик).
X = джеймс;
X = карл.
Каким образом решать эту задачу, как "прочесывать" базу данных, в которой записаны все известные отношения "отец" и "родитель", — это уже забота самой пролог-системы. Программист только сообщает системе то, что ему известно, и задает вопросы. Его в большей степени интересуют знания и в меньшей — алгоритмы, при помощи которых из этих знаний извлекается нужная информация.
Поняв, что очень важно научиться Прологу, естественно задать себе следующий вопрос — как это сделать. Я убежден, что изучение языка программирования во многом сходно с изучением естественного языка. Так, например, в первом случае может пригодиться инструкция по программированию точно так же, как во втором — словарь. Но никто не изучает язык при помощи словаря, так как слова — это только часть знаний, необходимых для овладения языком. Изучающий язык должен кроме того узнать те соглашения, следуя которым, можно получать осмысленные сочетания слов, а затем научиться у мастеров слова искусству литературного стиля.
Точно так же, никто не изучает язык программирования, пользуясь только инструкцией по программированию, так как в инструкциях очень мало или вообще ничего не говорится о том, как хорошие программисты используют элементарные конструкции языка. Поэтому необходим учебник, причем лучшие учебники обычно предлагают читателю богатый набор примеров. Ведь в хороших примерах сконцентрирован опыт лучших программистов, а именно на опыте мы, в основном, и учимся.
В этой книге первый пример появляется уже на первой странице, а далее на читателя как из рога изобилия обрушивается поток примеров прологовских программ, написанных программистом-энтузиастом, горячим приверженцем прологовской идеологии программирования. После тщательного изучения этих примеров читатель не только узнает, как "работает" Пролог, но и станет обладателем личной коллекции программ-прецедентов, готовых к употреблению: он может разбирать эти программы на части, приспосабливать каждую часть к своей задаче, а затем снова собирать их вместе, получая при этом новые программы. Такое усвоение предшествующего опыта можно считать первым шагом на пути от новичка к программисту-мастеру.
Изучение хороших программных примеров дает, как правило, один полезный побочный эффект: мы узнаем из них не только очень многое о самом программировании, но и кое-что - о какой-нибудь интересной научной области. В данной книге такой научной областью, стоящей за большинством примеров, является искусственный интеллект. Читатель узнает о таких идеях в области автоматического решения задач, как сведение задач к подзадачам, прямое и обратное построение цепочки рассуждений, ответы на вопросы "как" и "почему", а также разнообразные методы поиска.
Одним из замечательных свойств Пролога является то, что это достаточно простой язык, и студенты могли бы использовать его непосредственно в процессе изучения вводного курса по искусственному интеллекту. Я не сомневаюсь, что многие преподаватели включат эту книгу в свои курсы искусственного интеллекта с тем, чтобы студенты смогли увидеть, как при помощи Пролога абстрактные идеи приобретают конкретные и действенные формы.
Полагаю, что среди учебников по Прологу эта книга окажется особенно популярной, и не только из-за своих хороших примеров, но также из-за целого ряда других своих привлекательных черт:
• тщательно составленные резюме появляются на всем протяжении книги;
• все вводимые понятия подкрепляются многочисленными упражнениями;
• процедуры выборки элементов структур подводят нас к понятию абстракции данных;
• обсуждение вопросов стиля и методологии программирования занимает целую главу;
• автор не только показывает приятные свойства языка, но и со всей откровенностью обращает наше внимание на трудные проблемы, возникающие при программировании на Прологе.
Все это говорит о том, что перед нами прекрасно написанная, увлекательная и полезная книга.
Патрик Г. Уинстон
Кеймбридж, Массачусетс
Предисловие автора
Язык программирования Пролог базируется на ограниченном наборе механизмов, включающих в себя сопоставление образцов, древовидное представление структур данных и автоматический возврат. Этот небольшой набор образует удивительно мощный и гибкий программный аппарат. Пролог особенно хорошо приспособлен для решения задач, в которых фигурируют объекты (в частности, структуры) и отношения между ними. Например, в качестве легкого упражнения, можно попробовать выразить на Прологе пространственные отношения между объектами, изображенными на обложке этой книги. Пример такого отношения: верхний шар расположен дальше, чем левый шар. Нетрудно также сформулировать и более общее положение в виде следующего правила: если X ближе к наблюдателю, чем Y, a Y — ближе, чем Z, то объект X находится ближе, чем Z. Пользуясь правилами и фактами, пролог-система может проводить рассуждения относительно имеющихся пространственных отношений и, в частности, проверить, насколько они согласуются с вышеуказанным общим правилом. Все эти возможности придают Прологу черты мощного языка для решения задач искусственного интеллекта, а также любых задач, требующих нечислового программирования.
Само название Пролог есть сокращение, означающее программирование в терминах логики . Идея использовать логику в качестве языка программирования возникла впервые в начале 70-x годов. Первыми исследователями, разрабатывавшими эту идею, были Роберт Ковальский из Эдинбурга (теоретические аспекты), Маартен ван Эмден из Эдинбурга (экспериментальная демонстрационная система) и Ален Колмероэ из Марселя (реализация). Сегодняшней своей популярности Пролог во многом обязан эффективной реализации этого языка, полученной в Эдинбурге Дэвидом Уорреном в середине 70-x годов.
Поскольку Пролог уходит своими корнями в математическую логику, его преподавание часто начинают с изложения логики. Однако такое введение в Пролог, насыщенное математическими понятиями, приносит мало пользы в том случае, когда Пролог изучается в качестве практического инструмента программирования. Поэтому в данной книге мы не будем заниматься математическими аспектами этого языка, вместо этого мы сосредоточим свое внимание на навыках использования базовых механизмов Пролога, для решения целого ряда содержательных задач. В то время, как традиционные языки программирования являются процедурно-ориентированными, Пролог основан на описательной или декларативной точке зрения на программирование. Это свойство Пролога коренным образом меняет программистское мышление и делает обучение программированию на Прологе увлекательным занятием, требующим определенных интеллектуальных усилий.
В первой части книги содержится введение в Пролог, в ней показано, как составлять программы на Прологе. Во второй части демонстрируется, как мощные средства языка применяются в некоторых областях искусственного интеллекта, таких как, например, решение задач, эвристический поиск, экспертные системы, машинные игры и системы, управляемые образцами. В этой части излагаются фундаментальные методы в области искусственного интеллекта. Далее они прорабатываются достаточно глубоко для того, чтобы реализовать их на Прологе и получить готовые программы. Эти программы можно использовать в качестве "кирпичиков" для построения сложных прикладных систем. В книге рассматриваются также вопросы обработки таких сложных структур данных, как графы и деревья, хотя эти вопросы, строго говоря, и не имеют прямого отношения к искусственному интеллекту. В программах искусственного интеллекта методы обработки структур применяются довольно часто, и, реализуя их, читатель приобретет самые общие навыки программирования на Прологе. В книге особое внимание уделяется простоте и ясности составляемых программ. Повсеместно мы стремились избегать программистских "хитростей", повышающих эффективность за счет учета особенностей конкретной реализации Пролога.
Эта книга предназначена для тех, кто изучает Пролог и искусственный интеллект. Материал книги можно использовать в курсе лекций по искусственному интеллекту, ориентированном на прологовскую реализацию. Предполагается, что читатель имеет общее представление о вычислительных машинах, но предварительные знания в области искусственного интеллекта необязательны. От читателя не требуется также какого-либо программистского опыта. Дело в том, что богатый программистский опыт вместе с приверженностью к традиционному процедурному программированию (например, на Паскале) может стать помехой при изучении Пролога, требующего свежего программистского мышления.
Среди различных диалектов Пролога наиболее широко распространен так называемый эдинбургский синтаксис (или синтаксис DEC-10), который мы я принимаем в данной книге. Для того, чтобы обеспечить совместимость с различными реализациями Пролога, мы используем в книге сравнительно небольшое подмножество встроенных средств, имеющихся во многих вариантах Пролога.
Как читать эту книгу? В первой части порядок чтения естественным образом совпадает с порядком изложения, принятым в книге. Впрочем, часть разд. 2.4, в которой дается более формальное описание процедурной семантики Пролога, можно опустить. В главе 4 приводятся примеры программ, которые можно читать только выборочно. Вторая часть книги допускает более гибкий порядок чтения, поскольку различные главы этой части предполагаются взаимно независимыми. Однако некоторые из тем было бы естественным прочесть раньше других - это относится к основным понятиям, связанным со структурами данных (гл. 9), и к базовым стратегиям поиска (гл. 11 и 13). В приведенной ниже диаграмме показана наиболее естественная последовательность чтения глав.
Существует целый ряд исторически сложившихся и противоречащих друг другу взглядов на Пролог. Пролог быстро завоевал популярность в Европе как практический инструмент программирования. В Японии Пролог оказался в центре разработки компьютеров пятого поколения. С другой стороны, в связи с определенными историческими факторами, в США Пролог получил признание несколько позднее. Один из этих факторов был связан с предварительным знакомством с Микропленнером, языком, близким к логическому программированию, но реализованным не эффективно. Этот отрицательный опыт, относящийся к Микропленнеру, был неоправданно распространен и на Пролог, но позднее, после появления эффективной реализации, предложенной Дэвидом Уорреном, это предубеждение было убедительно снято. Определенная сдержанность по отношению к Прологу объяснялась также существованием "ортодоксальной школы" логического программирования, сторонники которой настаивали на использовании чистой логики, не запятнанной добавлением практически полезных внелогических средств. Практикам в области применения Пролога удалось изменить эту бескомпромиссную позицию и принять более прагматический подход, позволивший удачно сочетать декларативный принцип с традиционным - процедурным. И наконец, третьим фактором, приведшим к задержке признания Пролога, явилось то обстоятельство, что в США в течение долгого времени Лисп не имел серьезных конкурентов среди языков искусственного интеллекта. Понятно поэтому, что в исследовательских центрах с сильными лисповскими традициями возникало естественное противодействие Прологу. Но со временем соперничество между Прологом и Лиспом потеряло свою остроту, и в настоящее время многие считают, что оптимальный подход состоит в сочетании идей, лежащих в основе этих двух языков.
Благодарности
Интерес к Прологу впервые возник у меня под влиянием Дональда Мики. Я благодарен также Лоренсу Берду, Фернандо Перейра и Дэвиду Г. Уоррену, входившим в свое время в эдинбургскую группу разработчиков Пролога, за их советы по составлению программ и многочисленные дискуссии. Чрезвычайно полезными были замечания и предложения, высказанные Эндрью Макгеттриком и Патриком Уинстоном. Среди прочитавших рукопись книги и сделавших ценные замечания были также Игорь Кононенко, Таня Маярон, Игорь Мозетик, Тимоти Ниблетт и Фрэнк Зердин. Мне бы хотелось также поблагодарить Дебру Майсон-Этерингтон и Саймона Пламтри из издательства Эддисон-Уэсли за труд, вложенный в издание этой книги. И наконец, эта книга не могла бы появиться на свет без стимулирующего влияния творческой деятельности всего международного сообщества специалистов по логическому программированию.
Иван Братко
Институт Тьюринга, Глазго
Январь 1986
Часть 1
Язык Пролог
Глава 1
Общий обзор языка Пролог
В этой главе на примере конкретной программы рассматриваются основные механизмы Пролога. Несмотря на то, что материал излагается в основном неформально, здесь вводятся многие важные понятия.
Пример программы: родственные отношения
Пролог — это язык программирования, предназначенный для обработки символьной нечисловой информации. Особенно хорошо он приспособлен для решения задач, в которых фигурируют объекты и отношения между ними. На рис. 1.1 представлен пример — родственные отношения. Тот факт, что Том является родителем Боба, можно записать на Прологе так:
родитель( том, боб).
Здесь мы выбрали родитель в качестве имени отношения, том и боб — в качестве аргументов этого отношения. По причинам, которые станут понятны позднее, мы записываем такие имена, как том, начиная со строчной буквы. Все дерево родственных отношений рис. 1.1 описывается следующей пролог-программой:
родитель( пам, боб).
родитель( том, боб).
родитель( том, лиз).
родитель( боб, энн).
родитель( боб, пат).
родитель( пам, джим).
Рис. 1.1. Дерево родственных отношений.
Эта программа содержит шесть предложений . Каждое предложение объявляет об одном факте наличия отношения родитель.
После ввода такой программы в пролог-систему последней можно будет задавать вопросы, касающиеся отношения родитель . Например, является ли Боб родителем Пат? Этот вопрос можно передать пролог-системе, набрав на клавиатуре терминала:
?- родитель( боб, пат).
Найдя этот факт в программе, система ответит
yes (да)
Другим вопросом мог бы быть такой:
?- родитель( лиз, пат).
Система ответит
no (нет),
поскольку в программе ничего не говорится о том, является ли Лиз родителем Пат. Программа ответит "нет" и на вопрос
?- родитель( том, бен).
потому, что имя Бен в программе даже не упоминается.
Можно задавать и более интересные вопросы. Например:"Кто является родителем Лиз?"
?- родитель( X, лиз).
На этот раз система ответит не просто "да" или "нет". Она скажет нам, каким должно быть значение X (ранее неизвестное), чтобы вышеприведенное утверждение было истинным. Поэтому мы получим ответ:
X = том
Вопрос "Кто дети Боба?" можно передать пролог-системе в такой форме:
?- родитель( боб, X).
В этом случае возможно несколько ответов. Сначала система сообщит первое решение:
X = энн
Возможно, мы захотим увидеть и другие решения. О нашем желании мы можем сообщить системе (во многих реализациях для этого надо набрать точку с запятой), и она найдет другой ответ:
X = пат
Если мы потребуем дальнейших решений, система ответит "нет", поскольку все решения исчерпаны.
Нашей программе можно задавать и более общие вопросы: "Кто чей родитель?" Приведем другую формулировку этого вопроса:
Найти X и Y такие, что X — родитель Y.
На Прологе это записывается так:
?- родитель( X, Y).
Система будет по очереди находить все пары вида "родитель-ребенок". По мере того, как мы будем требовать от системы новых решений, они будут выводиться на экран одно за другим до тех пор, пока все они не будут найдены. Ответы выводятся следующим образом:
X = пам
Y = боб;
X = том
Y = боб;
X = том
Y = лиз;
...
Мы можем остановить поток решений, набрав, например, точку вместо точки с запятой (выбор конкретного символа зависит от реализации).
Нашей программе можно задавать и еще более сложные вопросы, скажем, кто является родителем родителя Джима? Поскольку в нашей программе прямо не сказано, что представляет собой отношение родительродителя, такой вопрос следует задавать в два этапа, как это показано на рис. 1.2.
(1) Кто родитель Джима? Предположим, что это некоторый Y.
(2) Кто родитель Y? Предположим, что это некоторый X.
Такой составной вопрос на Прологе записывается в виде последовательности двух простых вопросов:
?- родитель( Y, джим), родитель( X, Y).
Ответ будет:
X = боб
Y = пат
Рис. 1.2. Отношение родительродителя, выраженное через композицию двух отношений родитель.
Наш составной вопрос можно интерпретировать и так: "Найти X и Y, удовлетворяющие следующим двум требованиям":
родитель( Y, джим) и родитель( X, Y)
Если мы поменяем порядок этих двух требований, то логический смысл останется прежним:
родитель( X, Y) и родитель( Y, джим)
Этот вопрос можно задать нашей пролог-системе и в такой форме:
?- родитель( X, Y), родитель( Y, джим).
При этом результат будет тем же. Таким же образом можно спросить: "Кто внуки Тома?"
?- родитель( том, X), родитель( X, Y).
Система ответит так:
X = боб
Y = энн;
X = боб
Y = пат
Следующим вопросом мог бы быть такой: "Есть ли у Энн и Пат общий родитель?" Его тоже можно выразить в два этапа:
(1) Какой X является родителем Энн?
(2) Является ли (тот же) X родителем Пат?
Соответствующий запрос к пролог-системе будет тогда выглядеть так:
?- родитель( X, энн), родитель( X, пат).
Ответ:
X = боб
Наша программа-пример помогла проиллюстрировать некоторые важные моменты:
• На Прологе легко определить отношение, подобное отношению родитель, указав n -ку объектов, для которых это отношение выполняется.
• Пользователь может легко задавать пролог-системе вопросы, касающиеся отношений, определенных в программе.
• Пролог-программа состоит из предложений. Каждое предложение заканчивается точкой.
• Аргументы отношения могут быть (среди прочего): конкретными объектами, или константами (такими, как том и энн), или абстрактными объектами, такими, как X и Y. Объекты первого типа называются атомами . Объекты второго типа — переменными .
• Вопросы к системе состоят из одного или более целевых утверждений (или кратко целей ). Последовательность целей, такая как
родитель( X, энн), родитель( X, пат)
означает конъюнкцию этих целевых утверждений:
X — родитель Энн и
X — родитель Пат.
Пролог-система рассматривает вопросы как цели, к достижению которых нужно стремиться.
• Ответ на вопрос может оказаться или положительным или отрицательным в зависимости от того, может ли быть соответствующая цель достигнута или нет. В случае положительного ответа мы говорим, что соответствующая цель достижима и успешна . В противном случае цель недостижима , имеет неуспех или терпит неудачу .
• Если на вопрос существует несколько ответов, пролог-система найдет столько из них, сколько пожелает пользователь.
Упражнения
1.1. Считая, что отношение родитель определено так же, как и раньше в данном разделе (см. рис. 1.1), найдите, какими будут ответы пролог-системы на следующие вопросы:
(a) ?- родитель( джим, X).
(b) ?- родитель( X, джим).
(c) ?- родитель( пам,X), родитель( X, пат).
(d) ?- родитель( пам, X), родитель( X, Y),
родитель( Y, джим).
1.2. Сформулируйте на Прологе следующие вопросы об отношении родитель:
(a) Кто родитель Пат?
(b) Есть ли у Лиз ребенок?
(c) Кто является родителем родителя Пат?
Дата добавления: 2018-05-01; просмотров: 1315; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!