Лабораторная работа №1.
Цель работы: Изучить основные конструкции языка программирования Пролог для решения задач вычисления функций в экспертных системах.
1. Теоретические сведения
Пролог – это один из языков программирования, который широко используется для создания баз знаний и экспертных систем. Фундаментальными свойствами языка Пролог являются:
1) механизм вывода с поиском и возвратом;
2) встроенный механизм сопоставления с образцом;
3) простая и легко изменяемая структура данных;
4) отсутствие указателей, операторов присваивания и перехода;
5) естественность рекурсии.
Пролог базируется на сочетании указанных свойств, а удобство его – на естественности его принципов для логических задач, сводящихся к рекурсии.
Программы на Прологе состоит из фактов и правил для получения других фактов и ответов на вопросы. Факты по определению считаются доказанными (истинными).
Конкретному применению логической программы соответствует понятие запроса (цели). Достичь цели – означает показать, что она логически следует из фактов и правил программы. Если вопрос содержит переменные, то система должна найти к тому же конкретные объекты, которые будучи подставленными вместо переменных, обеспечат достижение цели.
В алфавит языка входят следующие символы:
1) прописные и строчные буквы латинского алфавита (A-Z, a-z); регистр букв программы влияет на работу программы;
2) цифры (0-9);
3) спецсимволы: ! @ # $ ( ) & * - + / < > ; , ? . _ " '
1.2 Структура программы
Пролог – программа включает в себя следующие разделы:
constants – задаются константы;
domains - имена и структуры объектов, используемых в задаче;
predicates – названия отношений между объектами;
clauses – факты и правила, описывающие эти отношения;
goal – описание цели решения.
Для обозначения логических связок для конъюнкции – and, для дизъюнкции – or, следование обозначаются конструкцией «:-» (двоеточие и минус) или слово if. Комментарии обрамляются комбинациями /*…*/.
1.3 Домены
Типы данных в Прологе называют доменами. Домен характеризует множество значений, которые может принимать переменная предиката в ходе выполнения программы. Связывание домена с конкретным аргументом (местом) предиката осуществляется в секции predicates. Сами переменные в объявлении не нуждаются. Домены подразделяются на простые и структурированные, стандартные и нестандартные. К стандартным относятся :-symbol – символьная константа (имя), имеет две формы записи:
1) последовательность букв, цифр и знаков препинания, которая начинается со строчной буквы;
2) последовательность символов, заключенная в двойные кавычки (примеры: "apple", "person", "Студент Иванов С.В." ) ;
-string – строка символов (любая последовательность символов, заключенная в двойные кавычки).
-char – отдельный символ между апострофами.
-integer – целое число (в диапазоне –32768 до 32767).
-real – действительное число (пример: -34.567, 0.654, 9.76e+3).
Переменная с именем <<_>> (анонимная) используется, если значение переменной несущественно. В примере book (Author, _, _, _, _) речь идет о всех книгах, написанных некоторым <<переменным>> автором, причем пропущенные названия, издательство, место и год рождения роли не играют.
Объявление новых доменов с исползованием стандартных имеет вид
<имя> = <имя_стандартного_домена>
Примеры объявлений:
domains
a=integer
fax=symbol
r, dup=real
Введение авторских наименований доменов позволяет внести в программу больше семантики и обеспечивает контроль типов значений переменных, поскольку смешивать в ходе выполнения программы переменные формально различных типов (доменов) нельзя. В Прологе допускается использование структуры, состоящей из нескольких простых или сложных объектов, например:
domains
articles=book(title,author)
author=author(init,fam)
title, author, fam=symbol
init=string
1.4 Предикаты
Раздел predicates должен содержать полный перечень предикатов пользователя, применяемых в программе. Описание предиката включает <имя предиката> и <список доменов его аргументов>:
<имя предиката> (<d1>,<d2>,…<dN>), где <d1>,<d2>,…<dN>- имена стандартных доменов, объявленных в разделе domains.
Предикаты используются для представления как данных, так и правил их обработки. Примеры:
Predicates
Add(integer,integer,real)
lk (fr)
1.5 Утверждения
В разделе clauses описываются утверждения относительно предикатов. Отрицание предиката pr задаётся в форме not(pr) и допустимо только для правой части правила. Существует два типа утверждений: факты и правила. Факт – это имя предиката с заключённым в скобки списком аргументов. Факты используются для констатации того, что выполнено некоторое отношение между объектами. Обычно они записываются относительно предметных констант Однако в фактах могут использоваться и переменные, что позволяет укрупнять факты, уменьшая их общее число и трудоёмкость их поиска в базе данных.
Например, факт mult(x,0,0) объединяет все факты относительно произведения произвольного числа на нуль.
Правило состоит из головной цели – предиката, за которым следует сперва двоеточие с дефисом (:-), а затем тело правила – предикаты (хвостовые цели) разделённые запятыми или точками с запятой. В конце утверждения ставится точка. Предполагается, что переменные в фактах и головных целях утверждения х связаны ??? всеобщности. Переменные в хвостовых целевых утверждениях связаны кванторами существования, а совокупность хвостовых целей рассматривается как логическое произведение.
Пример интерпретации: правило человек (х):- родитель (X,Y), человек (Y). Читается << Всякий Х сын при условии, что родители Х является Y и объект Y – человек >>. В ходе вычислений вместо переменной может быть подставлен другой объект. В этом случае говорят, что переменная конкретизирована. Область действия переменной ограничивается утверждением, и передавать информацию из одного утверждения в другое через свободные переменные нельзя.
1.6 Выражения и стандартные предикаты
В теле правила, помимо объявленных в программе предикатов, могут использоваться стандартные операции сравнения. Стандартные предикаты выполняют различные функции по вводу/выводу различных типов данных, работе с файлами и т.п. Для записи арифметических выражений используются знаки арифметических операций и стандартные функции.
Таблица 1. Стандартные функции
| № |
Обозначение в математике |
Обозначение в Прологе |
| 1 |
|x| |
abs(x) |
| 2 |
ex
|
exp(x) |
| 3 |
sin x |
sin(x) |
| 4 |
cos x |
cos(x) |
| 5 |
tg x |
tan(x) |
| 6 |
arctg x |
artan(x) |
| 7 |
ln x |
ln(x) |
| 8 |
log x |
log(x) |
| 9 |
|
sqrt(x) |
| 10 |
xz
|
exp(z*ln(x)) |
1.7 Предикаты ввода/вывода
Ввод осуществляется с помощью предикатов:
readchar(<имя переменной 1>, < имя переменной 2>, …) – ввод символьных переменных;
readint(<список переменных>) – ввод целочисленных переменных;
readreal(<список переменных>) – ввод вещественных переменных.
Вывод осуществляется предикатом write(<список вывода>)
Предикат nl обеспечивает переход на новую строку.
1.8 Цель
Раздел goal содержит внутренний запрос к программе. Для такого запроса Пролог осуществляет поиск только первого подходящего решения, при этом вывод организуется программистом. Целей может быть несколько: тогда они перечисляются через запятую.
Пример цели:
goal
synonym(brave, x),
write("A synonym for 'brave' is"),nl,
write(" ' ", x," ' "),nl
2. Задание к работе
Вычислить функцию, заданную согласно варианта (см. таблицу 1).
Написать и отладить программу.
:
Таблица 1
| Вариант |
Вид выражения |
Исходные данные |
| 1 |
2 |
3 |
| 1 |
|
x=1,1 |
| 2 |
|
x=0,5 |
| 3 |
|
x=1,2 |
| 4 |
|
x=1,05 |
| 5 |
|
х=1,1 |
| 6 |
|
х=1,33 |
| 7 |
|
х=1,21 |
| 8 |
|
х=1,08 |
| 9 |
|
х=3,9 |
| 10 |
|
х=1,37 |
| 11 |
|
х=1,05 |
| 12 |
|
х=1,022 |
| 13 |
|
x=1,2 |
| 14 |
|
x=1,8 |
| 15 |
|
x=1,01 |
| 16 |
|
x=1,77 |
| 17 |
|
X=1 |
| 18 |
|
x=1.08
|
| 19 |
|
x=1.03 |
| 20 |
|
x=1.19 |
| 21 |
|
x=1.27 |
| 22 |
|
x=1.21 |
| 23 |
|
x=1.37 |
| 24 |
|
x=1.04 |
| 25 |
|
x=1.06 |
3. Контрольные вопросы
1) Основные секции Пролог-программы.
2) Какие стандартные домены имеются в Прологе.
3) Стандартные предикаты ввода/вывода. Описание и параметры.
4) Основные стандартные функции.
5) Алфавит языка Пролог.